Percée dans les polymères conducteurs
Un nouveau cristal de polymère conduit l'électricité comme un métal
Une équipe de recherche internationale, comprenant des scientifiques de l'université technologique TUD de Dresde, a mis au point un polymère conducteur bidimensionnel révolutionnaire - une forme spéciale et ordonnée de polyaniline (2DPANI) qui présente une conductivité électrique et un comportement de transport de charges métalliques exceptionnels. Cette découverte constitue une avancée fondamentale dans la recherche sur les polymères, car elle ouvre de nouvelles possibilités pour le développement d'une électronique organique plus efficace. Les résultats de l'étude ont été récemment publiés dans la revue scientifique "Nature".
Les polymères conducteurs tels que la polyaniline, le polythiophène et le polypyrrole sont réputés pour leur excellente conductivité électrique et sont apparus comme des alternatives prometteuses, peu coûteuses, légères et flexibles aux semi-conducteurs et aux métaux traditionnels. L'importance de ces matériaux a été confirmée en 2000 lorsque le prix Nobel de chimie a été décerné à Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et Hideki Shirakawa pour leur découverte et leur développement révolutionnaires de polymères conducteurs. Cette reconnaissance a mis en évidence le potentiel de transformation des polymères dans la science et la technologie modernes. Malgré des progrès significatifs, ces matériaux conduisent principalement les électrons le long de leurs chaînes polymères. Cependant, la conductivité entre les brins ou les couches de polymères reste limitée parce que les molécules ne sont pas bien connectées et que les interactions électroniques sont faibles.
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche de l'Université technique de Dresde et de l'Institut Max Planck de physique des microstructures de Halle, en collaboration avec des partenaires internationaux, a synthétisé et caractérisé un cristal multicouche de polyaniline bidimensionnelle (2DPANI). "Ce matériau présente une conductivité exceptionnelle, non seulement à l'intérieur de ses couches, mais aussi verticalement à travers les couches. C'est ce que nous appelons le transport de charge métallique hors plan ou conduction 3D. Il s'agit d'une avancée fondamentale dans la recherche sur les polymères", explique Thomas Heine, titulaire de la chaire de chimie théorique à l'université technique de Dresde. Avec son équipe de l'université technique de Dresde et le Center for Advanced Systems Understanding CASUS de Görlitz, il a d'abord simulé la structure du polymère et calculé son caractère métallique.
Xinliang Feng et son équipe du Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) de l'Université technique de Dresde et de l'Institut Max Planck de physique des microstructures de Halle ont synthétisé le nouveau polymère et réalisé des études de transport par courant continu. Ces mesures montrent une conductivité anisotrope de 16 S/cm dans le plan et de 7 S/cm hors du plan, soit environ trois ordres de grandeur de plus que les polymères conducteurs linéaires conventionnels. . En outre, les mesures à basse température montrent que la conductivité hors plan augmente à mesure que la température diminue - un comportement caractéristique des métaux - confirmant les propriétés exceptionnelles de transport électrique hors plan du matériau.
D'autres mesures ont été effectuées au CIC nanoGUNE à San Sebastián, en Espagne, à l'aide de la microscopie infrarouge et de la microscopie térahertz en champ proche. Elles ont révélé une conductivité en courant continu d'environ 200 S/cm.
Cette avancée ouvre la possibilité d'obtenir une conductivité métallique tridimensionnelle dans des matériaux organiques et polymères sans métal. Cela ouvre de nouvelles perspectives passionnantes pour des applications dans l'électronique, le blindage électromagnétique et la technologie des capteurs. Le polymère métallique pourrait servir d'électrode fonctionnelle en électrochimie et en photoélectrochimie, par exemple pour la production d'hydrogène.
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Publication originale
Tao Zhang, Shu Chen, Petko St. Petkov, Peng Zhang, Haoyuan Qi, Nguyen Ngan Nguyen, Wenjie Zhang, Jiho Yoon, Peining Li, Thomas Brumme, Alexey Alfonsov, Zhongquan Liao, Mike Hambsch, Shunqi Xu, Lars Mester, Vladislav Kataev, Bernd Büchner, Stefan C. B. Mannsfeld, Ehrenfried Zschech, Stuart S. P. Parkin, Ute Kaiser, Thomas Heine, Renhao Dong, Rainer Hillenbrand, Xinliang Feng; "Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity"; Nature, Volume 638, 2025-2-5
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