Un nouveau matériau similaire au plastique qui se comporte comme du métal

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Vue d’artiste du nouveau matériau conducteur. | Frank Wegloski
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Un groupe de chercheurs de l’Université de Chicago a trouvé un moyen de produire un matériau dans lequel les fragments moléculaires sont mélangés et désordonnés (comme le plastique), mais qui peut tout de même très bien conduire l’électricité. Cette avancée pourrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de matériaux, robustes et faciles à façonner, pour l’électronique et de nombreux appareils de la vie courante.

Si tous les matériaux n’ont pas les mêmes propriétés physiques, c’est à cause de leur structure atomique. Les matériaux dits « organisés » (ou cristallins), comme les métaux, sont composés d’atomes, d’ions ou molécules disposés régulièrement, en réseaux. Dans les matériaux « amorphes », comme le verre, les atomes n’ont aucune organisation particulière. Enfin, les polymères qui composent les matériaux plastiques sont reliés les uns aux autres, de manière linéaire ou ramifiée.

Entre autres propriétés, la structure interne d’un matériau dicte sa conductivité. Les métaux (argent, cuivre, or, aluminium, etc.) constituent le groupe de conducteurs le plus ancien et le plus important. Il y a plusieurs décennies, les scientifiques ont toutefois réussi à créer des matériaux conducteurs à partir de matériaux organiques ; pour cela, ils ajoutent « des impuretés » en petites quantités dans ledit matériau — un procédé appelé « dopage ». Ces matériaux dopés sont plus flexibles et plus faciles à traiter que les métaux traditionnels, mais sont beaucoup moins stables et peuvent perdre leur conductivité dans certaines conditions.

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Un conducteur efficace et particulièrement robuste

Ces matériaux organiques conducteurs — les polymères organiques dopés, mais aussi les conducteurs moléculaires et les nouveaux polymères de coordination — sont à la base de nombreuses technologies, allant des écrans à l’électronique flexible. Le dopage permet de « ranger » les atomes et molécules en réseau bien organisé, comme dans un métal, de sorte que les électrons puissent circuler facilement à travers le matériau.

Les scientifiques ont toujours pensé qu’un matériau devait nécessairement avoir une structure atomique ordonnée pour conduire efficacement l’électricité. « Même les matériaux organiques qui sont intrinsèquement conducteurs, tels que les conducteurs moléculaires à un seul composant, doivent être cristallins pour avoir un comportement métallique », notent les chercheurs dans Nature. Leur découverte remet toutefois en question ce principe.

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Illustration de la structure du matériau. Les atomes de nickel sont représentés en vert, les atomes de carbone en gris et les atomes de soufre en jaune. © Xie et al.

Jiaze Xie, chercheur au Département de chimie de l’Université de Chicago, a entrepris d’effectuer de nouvelles expériences avec un polymère de coordination amorphe : le tétrathiafulvalène tétrathiolate de nickel. Grossièrement, il s’agit d’un polymère constitué d’atomes de nickel, enfilés comme des perles sur des chaînes constituées d’atomes de carbone et de soufre.

Non seulement le matériau conduisait facilement et fortement l’électricité (jusqu’à 1200 S/cm), mais il s’est avéré très stable à l’air humide pendant des semaines, à un pH de 0 à 14 et à des températures allant jusqu’à 140 °C. « Nous l’avons chauffé, refroidi, exposé à l’air et à l’humidité, et avons même versé de l’acide et de la base dessus, et rien ne s’est passé », a déclaré Xie. Cette robustesse à toute épreuve serait évidemment très utile pour une application dans le monde réel.

Une découverte qui multiplie les possibilités du secteur de l’électronique

Ces résultats démontrent que la conception moléculaire peut permettre une conductivité métallique même dans des matériaux fortement désordonnés, ce qui soulève des questions fondamentales sur la façon dont le transport métallique peut exister sans structure périodique, écrivent les chercheurs. La structure moléculaire du matériau a en effet beaucoup surpris Xie et son équipe. « D’un point de vue fondamental, cela ne devrait pas pouvoir être un métal. Il n’y a pas de théorie solide pour expliquer cela », a déclaré John Anderson, professeur associé de chimie à l’Université de Chicago et auteur principal de l’étude.

Comment ce matériau pouvait-il conduire l’électricité alors qu’il n’était en théorie pas capable de le faire ? Après plusieurs tests, des simulations informatiques et des travaux théoriques, les chercheurs pensent que ce matériau forme des couches, comme les feuilles de lasagnes ; l’équipe évoque dans son article « un chevauchement moléculaire » particulièrement robuste. Même si ces feuilles s’inclinent sur le côté et que la pile n’est plus vraiment ordonnée, les électrons peuvent toujours se déplacer horizontalement ou verticalement, tant que les couches sont reliées entre elles.

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Ce nouveau matériau conducteur offre ainsi des possibilités inédites et ouvre la voie à un principe de conception fondamentalement nouveau pour la technologie électronique. « C’est presque comme de la pâte à modeler conductrice : vous pouvez la mettre en place et elle conduit l’électricité », a déclaré Anderson.

L’une des caractéristiques intéressantes du matériau est qu’il offre de nouvelles possibilités de traitement : contrairement aux métaux qui doivent généralement être fondus pour pouvoir adopter la forme adéquate — ce qui implique que les autres composants du dispositif doivent être capables de résister à une chaleur très élevée — ce nouveau matériau peut être façonné à température ambiante. Il peut également être utilisé quasiment dans n’importe quel environnement — alors que la chaleur, l’acidité, l’alcalinité ou l’humidité pouvaient jusqu’à présent limiter les options de conception.

Xie et son équipe explorent maintenant les différentes formes et fonctions que pourrait prendre le matériau. Ils envisagent notamment de le rendre bi- ou tridimensionnel, et de le rendre poreux entre autres fonctions.

Source : J. Xie et al., Nature

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