اكتشف علماء من جامعة شيكاغو طريقة لإنشاء مادة يمكن صنعها مثل البلاستيك، لكنها توصل الكهرباء مثل المعدن.

نُشر البحث في أكتوبر الماضي بمجلة نيتشر، والذي يوضح كيفية صنع هذا النوع من المواد التي تكون فيها الشظايا الجزيئية مختلطة ومضطربة، ولكنها موصلة للكهرباء بشكل جيد للغاية.

هذا يتعارض مع جميع القواعد التي نعرفها عن الموصلية، بالنسبة للعلماء إنه مثل رؤية سيارة تسير على الماء بسرعة ٧٠ ميلاً في الساعة،  ولكن النتيجة يمكن أن تكون مفيدة للغاية فإذا كنت تريد أن تبتكر شيئًا فريدًا، غالبًا ما تبدأ العملية أولاً باكتشاف مادة جديدة تمامًا.

قال الأستاذ المشارك في الكيمياء في جامعة شيكاغو والمؤلف الرئيسي للدراسة جون أندرسون: “من حيث المبدأ، هذا يفتح تصميم فئة جديدة كاملة من المواد التي توصل الكهرباء وتكون سهلة التشكيل وقوية للغاية في الظروف اليومية”.

وأوضح جيازي شيه، الحاصل على درجة الدكتوراه في جامعة برينستون: ” إنها تفتح أفقًا جديدًا لمجموعة مواد تكنولوجية بالغة الأهمية”.

وأضاف: ” لاتوجد نظرية حاسمة تؤكد ذلك”.

تعتبر المواد الموصلة ضرورية إذا كنت تصنع أي نوع من الأجهزة الإلكترونية سواءً كان آيفون أو لوحًا شمسيًا أو تلفزيونًا. إلى حدٍ بعيد أقدم وأكبر مجموعة من الموصلات هي معادن، مثل: النحاس والذهب والألمونيوم. ولكن منذ حوالي خمسين عامًا تمكن العلماء من إنشاء موصلات مصنوعة من مواد عضوية باستخدام المعالجة الكيميائية المعروفة باسم “المنشطات”، والذي يرش في ذرات أو إلكترونيات مختلفة عبر المادة.

هذا مفيد لأن هذه المواد أكثر مرونة وأسهل في المعالجة من المعادن التقليدية، لكن المشكلة هي أنها غير مستقرة تمامًا، حيث يمكن أن يفقدوا موصليتهم إذا تعرضوا للرطوبة أو إذا ارتفعت درجة الحرارة أكثر من اللازم.

لكن في الأساس، تشترك كل من هذه الموصلات المعدنية العضوية والتقليدية في أنها تتكون من صفوف مستقيمة ومليئة بالذرات أو الجزئيات. هذا يعني أن الإلكترونات يمكن أن تتدفق بسهولة عبر المادة، مثل السيارات على الطريق السريع، في الواقع، اعتقد العلماء أن المادة يجب أن تحتوي على هذه الصفوف المستقيمة والمنظمة من أجل توصيل الكهرباء بكفاءة.

ثم بدأ شيه في تجربة بعض المواد المكتشفة منذ سنوات، التي تم تجاهلها بشكل كبير، حيث قام بربط ذرات النيكل مثل اللؤلؤ في سلسلة من الخرز الجزيئي المصنوع من الكربون والكبريت.  

دهش العلماء أن المادة تعمل بالكهرباء بسهولة وقوة علاوةً على ذلك كانت مستقرة تمامًا. قال شيه: “قمنا بتسخينها وتبريدها وتعريضها للهواء والرطوبة وحتى عندما وضعنا بعض الحمض عليها لم يحدث شي”.

وأضاف: “ستكون عملية للغاية في صنع أجهزة ذات كفاءة عالية”.   

لكن بالنسبة للعلماء كان الشئ الأكثر لفتًا للنظر هو أن التركيب الجزيئي للمادة كان مضطربًا، قال أندسون: “من المفترض والواضح أنه ليس معدنًا، ولكن لا توجد نظرية قاطعة تحسم ذلك الأمر”.

شيه وأندسون ومختبرهم عملوا مع علماء آخرين من حول العالم لمحاولة فهم كيف يمكن للمواد توصيل الكهرباء، بعد الاختبارات والمحاكاة والعمل النظري لاحظوا أن المادة تشكل طبقات مثل طبقات اللازانيا، ولايزال بإمكان الإلكترونات التحرك أفقيًا أو رأسيًا، طالما أن القطع تتلامس.  

كانت النتيجة النهائية غير متوقعة لمادة موصلة، حيث عبر أندرسون عن ذلك بوصفه: “إنها تقريبًا مثل لعبة Play-Doh الموصلة يمكنك سحقها في مكانها لتوصل الكهرباء”.

العلماء متحمسون لأن الاكتشاف يشير إلى مبدأ تصميم جديد يشكل أساس لتكنولوجيا الإلكترونيات. وأشاروا أن الموصلات مهمة جدًا لدرجة أن أي تطوير يفتح سبلاً جديدة للتكنولوجيا.

إحدى الخصائص الجذابة للمادة هي الخيارات الجديدة للمعالجة، حيث عادةً ما يتعين صهر المعادن من أجل تحويلها إلى الشكل المناسب لشريحة أو جهاز، مما يحد مما يمكنك صنعه بها، ونظرًا لأن المكونات الأخرى للجهاز يجب أن تكون قادرة على تحمل الحرارة اللازمة لمعالجة هذه المواد.

المادة الجديدة ليس لها مثل هذا التقييد لأنه يمكن صنعها في درجة حرارة الغرفة. يمكن استخدامها أيضًا في حالة الحاجة إلى جهاز أو قطع منه لتحمل الحرارة والحمض أو القلوية أو رطوبة سبق أن حدت من خيارات المهندسين لتطوير تكنولوجيا جديدة.

يقوم الفريق أيضًا باستكشاف الأشكال والوظائف المختلفة التي قد تصنعها المواد، حيث أوضح شيه: “نعتقد أنه يمكننا جعلها ثنائية أو ثلاثية الأبعاد، أو جعلها مسامية أو حتى إدخال ميزات أخرى عن طريق إضافة روابط أو عقد مختلفة”.

المصدر: https://www.sciencedaily.com

ترجمة: شهد شعوان

تويتر: @Shahadshibanii

مراجعة وتدقيق: زينب محمد