Nieuw materiaal is produceerbaar als plastic en geleidt elektriciteit als metaal

Een nieuw materiaal is produceerbaar als een plastic, maar geleidt elektriciteit op een wijze die lijkt op metaal. Het materiaal gaat hiermee in tegen de regels op het gebied van geleiding die we kennen. Geleidende materialen spelen een belangrijke rol in elektrische apparaten. Denk hierbij aan een smartphone of laptop, maar ook aan zonnepanelen of auto’s.

Het materiaal is ontdekt door onderzoekers van de Universiteit van Chicago. Zij delen hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Ondanks dat de moleculen van het materiaal ongeordend zijn kan het elektriciteit zeer goed geleiden. De onderzoekers voorzien grote kansen met het materiaal. “Indien je iets revolutionairs wilt uitvinden, start het proces vaak met het ontdekken van een compleet nieuw materiaal”, aldus de universiteit.

‘Nieuwe klasse materialen mogelijk’

“In principe maakt dit de weg vrij voor een hele reeks nieuwe klasse materialen die elektriciteit geleiden, eenvoudig gevormd kunnen worden en zeer robuust zijn in alledaagse omstandigheden”, licht John Anderson, als hoogleraar scheikunde verbonden aan de Universiteit van Chicago en hoofdauteur van het onderzoek, toe. Jiaze Xie, die in 2022 is afgestudeerd en nu verbonden is aan de Amerikaanse Princeton Universiteit, voegt toe: “In essentie suggereert dit nieuwe mogelijkheden voor een extreem belangrijke technologische groep materialen.”

Onderzoekers slaagden vijftig jaar geleden al in het vervaardigen van geleidend materiaal uit organische materialen. Zij zetten hierbij een chemisch proces in dat bekend staat als ‘doping’. Bij dit proces ‘besprenkelen’ onderzoekers het materiaal met andere atomen of elektronen. De werkwijze biedt belangrijke voordelen. Zo zijn de organische materialen flexibeler en eenvoudiger verwerkbaar dan traditionele metalen. Zij kennen echter ook hun beperkingen. Zo zijn de materialen onstabiel. Zij verliezen hun geleidendheid bij blootstelling aan vocht of hoge temperaturen.

Rechte rijen atomen of moleculen

Het team van Anderson en Xie wijst erop dat zowel dit geleidende organische materiaal als traditionele metalen geleiders een belangrijk kenmerk delen. Beide bestaan uit rechte, nauw op elkaar gepakte rijen atomen of moleculen. Dit betekent in de praktijk dat electronen eenvoudig door het materiaal kunnen stromen. Tot nu toe werd aangenomen dat deze rechte, geordende rijen een harde eis zijn voor het geleiden van elektriciteit.

Dit blijkt echter niet het geval te zijn. Het team is enkele jaren geleden gestart met experimenten met diverse materialen. Hierbij regen zij nikkelatomen samen met koolstof- en sulfaatatomen in een ketting. Dit materiaal blijkt elektriciteit zeer eenvoudig en krachtig te geleiden. Ook is het materiaal zeer stabiel. “We verwarmde het, koelde het, stelde het bloot aan lucht en vochtigheid, en druppelde zelfs zuur en base erop, en niets gebeurde”, zegt Xie.

‘Er is geen solide theorie die dit verklaart’

De ontdekking is opvallend, aangezien er geen duidelijke theorie beschikbaar is die de ontwikkeling verklaart. Met name de ongeordende structuur van het materiaal valt op. Anderson: “Er is geen solide theorie die dit verklaart.”

De theorie van de onderzoekers is dat het materiaal lagen vormt, vergelijkbaar met de lagen in een lasagne. Ook indien deze lagen roteren en niet langer een nette stapel vormen, kunnen electronen zowel horizontaal als verticaal door het materiaal bewegen. De enige voorwaarde hierbij is dat lagen elkaar raken. Het materiaal dat is ontstaan biedt zeer uitgebreide mogelijkheden; Anderson vergelijkt het materiaal met ‘geleidend Play-Doh’.

Nieuwe verwerkingsmogelijkheden

Aantrekkelijk aan het ontdekte geleidende materiaal is onder meer nieuwe mogelijkheden voor het verwerken van het materiaal. Zo smelten fabrikanten metalen om hen de juiste vorm te geven voor gebruik in een chip of apparaat. Dit brengt beperkingen met zich mee; zo moeten andere componenten van het apparaat de hitte kunnen verdagen die nodig is voor het verwerken van de metalen.

Deze beperking kent het nieuwe materiaal niet; de verwerking vindt plaats op kamertemperatuur. Ook verwachten de onderzoekers dat het materiaal beperkingen opheft waar technici eerder tegen aanliepen bij het ontwikkelen van nieuwe technologieën. Momenteel onderzoekt het team andere vormen waarin het materiaal verwerkt kan worden. Denk hierbij aan 2D-, 3D- en poreuze materialen.

Meer informatie is beschikbaar in Nature.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: Gerd Altmann via Pixabay