Impression d’artiste d’un nouveau matériau conducteur à la structure moléculaire désordonnée.
Des scientifiques travaillant sur une classe expérimentale de matériaux ont fait une percée qui pourrait donner naissance à une nouvelle génération de dispositifs électroniques. La création des chercheurs est comparée à une pâte à modeler conductrice qui peut être facilement façonnée, combinant deux caractéristiques d’une manière qui, selon eux, défie toute explication théorique.
Les matériaux qui conduisent l’électricité, comme l’aluminium, le cuivre ou d’autres métaux, ont généralement des points communs. Ils sont constitués de rangées bien ordonnées d’atomes ou de molécules disposés selon une configuration serrée, dont on pensait qu’elle était cruciale pour permettre aux électrons de se déplacer librement dans le matériau.
Jiaze Xie, chercheur à l’université de Chicago, a exploré d’autres possibilités. Il expérimentait des matériaux basés sur des chaînes moléculaires composées de carbone et de soufre, entrecoupées d’atomes de nickel, et a obtenu des résultats inattendus. À sa grande surprise et à celle de son équipe, le matériau s’est révélé être un conducteur d’électricité très efficace, capable de maintenir ses performances dans diverses conditions inhospitalières.
L’illustration représente la structure moléculaire d’un matériau, les atomes de nickel étant représentés en vert, les atomes de carbone en gris et les atomes de soufre en jaune.
« Nous l’avons chauffé, refroidi, exposé à l’air et à l’humidité, et nous avons même versé de l’acide et de la base dessus, et rien ne s’est produit », a déclaré Jiaze Xie, qui travaille maintenant à l’université de Princeton.
Les capacités conductrices du matériau semblent être en contradiction avec sa structure moléculaire désordonnée. Après des tests et des simulations, les chercheurs pensent que cela est dû à une configuration en forme de lasagne dans laquelle le matériau forme des couches comme des feuilles de pâtes, ce qui permet aux électrons de se déplacer à la fois horizontalement et verticalement, même lorsque ces couches tournent de façon désordonnée.
« D’un point de vue fondamental, cela ne devrait pas pouvoir être un métal », a déclaré l’auteur principal John Anderson. « Il n’y a pas de théorie solide pour expliquer cela ».
Les scientifiques affirment que le matériau conducteur est sans précédent dans la mesure où il peut à la fois être souple et conduire l’électricité, John Anderson le comparant à « de la pâte à modeler conductrice – vous pouvez l’écraser en place et il conduit l’électricité ».
Grâce à des traitements chimiques, les scientifiques ont pu fabriquer des conducteurs avec des matériaux organiques plus faciles à traiter et offrant une certaine flexibilité, mais leur conductivité diminue généralement à des températures élevées ou lorsqu’ils sont exposés à l’humidité. Grâce à leur capacité à résister à ces facteurs, les scientifiques pensent avoir jeté les bases d’une nouvelle catégorie de matériaux conducteurs.
« En principe, cela ouvre la voie à la conception d’une toute nouvelle catégorie de matériaux conducteurs d’électricité, faciles à façonner et très robustes dans les conditions de la vie quotidienne », précise John Anderson.
Le fait que le matériau puisse être fabriqué à température ambiante joue en sa faveur, contrairement aux métaux ou aux matériaux conducteurs classiques qui doivent être fondus pour prendre la forme de différents appareils électroniques. L’équipe espère étendre ses capacités en expérimentant différentes formes et fonctions.
« Nous pensons que nous pouvons le rendre 2D ou 3D, le rendre poreux, ou même introduire d’autres fonctions en ajoutant différents lieurs ou nœuds », conclut Jiaze Xie.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05261-4
