Un passo avanti con le plastiche conduttive
Un nuovo cristallo polimerico conduce l'elettricità come un metallo
Un team di ricerca internazionale, che comprende scienziati della Technische Universität Dresden (TUD), ha sviluppato un innovativo polimero conduttivo bidimensionale. Una forma speciale e ordinata di polianilina (2DPANI) presenta un'eccezionale conducibilità elettrica e un comportamento di trasporto della carica metallica. La scoperta rappresenta una svolta fondamentale nella ricerca sui polimeri, in quanto apre nuove possibilità per lo sviluppo di un'elettronica organica più potente. I risultati dello studio sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica "Nature".
I polimeri conduttori come la polianilina, il politiofene e il polipirrolo sono noti per la loro eccellente conducibilità elettrica e si sono dimostrati promettenti alternative a basso costo, leggere e flessibili ai semiconduttori e ai metalli tradizionali. L'importanza di questi materiali è stata sottolineata nel 2000, quando Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid e Hideki Shirakawa sono stati insigniti del Premio Nobel per la Chimica per la scoperta e lo sviluppo pionieristici dei polimeri conduttori.
Nonostante i notevoli progressi, questi materiali conducono gli elettroni principalmente lungo le loro catene polimeriche. Tuttavia, la conduttività tra i filamenti o gli strati di polimero rimane limitata perché le molecole non sono ben collegate e le interazioni elettroniche sono deboli.
Per risolvere questo problema, un team di ricerca della TUD e dell'Istituto Max Planck di fisica delle microstrutture di Halle, in collaborazione con partner internazionali, ha sintetizzato e caratterizzato un cristallo di polianilina bidimensionale multistrato (2DPANI). "Questo materiale presenta una conduttività eccezionale, non solo all'interno dei suoi strati, ma anche verticalmente attraverso gli strati. Questo è ciò che chiamiamo trasporto di carica metallica fuori dal piano o conduzione 3D. Si tratta di una svolta fondamentale nella ricerca sui polimeri", spiega Thomas Heine, professore di chimica teorica alla TU di Dresda. Insieme al suo team della TUD e del Centro per la comprensione dei sistemi avanzati CASUS di Görlitz, ha prima simulato la struttura del polimero e calcolato il suo carattere metallico.
Xinliang Feng e il suo team del Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) del TUD e del Max Planck Institute of Microstructure Physics di Halle hanno sintetizzato il nuovo polimero ed effettuato studi sul trasporto di corrente continua. Queste misurazioni mostrano una conduttività anisotropa di 16 S/cm all'interno del piano e di 7 S/cm all'esterno del piano, circa tre ordini di grandezza superiore ai polimeri conduttori lineari convenzionali. Inoltre, le misurazioni a basse temperature mostrano che la conduttività fuori piano aumenta al diminuire della temperatura - un comportamento caratteristico dei metalli - confermando le eccezionali proprietà di trasporto elettrico fuori piano del materiale.
Ulteriori misurazioni sono state effettuate presso il CIC nanoGUNE di San Sebastián, in Spagna, utilizzando la microscopia a infrarossi e il microcampo vicino a terahertz. Queste hanno rivelato una conduttività DC di circa 200 S/cm.
Questa scoperta apre la possibilità di ottenere una conduttività metallica tridimensionale in materiali organici e polimerici privi di metallo. Ciò apre nuove prospettive per applicazioni nell'elettronica, nella schermatura elettromagnetica e nella tecnologia dei sensori. Il polimero metallico potrebbe servire come elettrodo funzionale in elettrochimica e fotoelettrochimica, ad esempio per la produzione di idrogeno.
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Pubblicazione 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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