像塑料,却能导电
如果你看到一辆汽车在水面上行驶,却仍能以每小时100多千米的速度飞驰,你会有怎样的感觉?
这就是一组化学家在看到他们最新的成果时形容的感受。来自芝加哥大学的研究人员与他们的合作者发现了一种新方法,可以制造出像塑料一样的材料,但又可以像金属那样导电。
这种导电性能极好的材料,有着看似杂乱无章的分子碎片,这违背了我们所知的所有导电规则。现在,这项研究已于近日发表在了《自然》杂志上。
突破传统的新材料
不管你想制造什么样的电子设备,无论是iPhone、太阳能电池板,还是电视,导电材料都必不可少。
截至目前,最古老、也是最大的一类导体是金属,也就是铜、金、铝等等。大约50年前,科学家使用一种被称为“掺杂”的化学处理方法,简单来说就是在材料中“撒”入不同的原子或电子,创造出了由有机材料制成的导体。
这类材料比传统金属更柔韧,也更容易加工,但麻烦的是,它们并没有那么稳定。比如,如果暴露在湿度或温度过高的环境中,它们可能会丧失导电性。
但从根本上说,无论是有机导体还是传统金属导体,都有一个共同点。它们是由笔直而紧密排列的原子或分子组成的。这意味着,电子可以轻易在材料中流动,就像高速公路上的汽车一样。事实上,科学家一直认为,一种材料必须具有这些笔直有序的排列,才能有效导电。
但研究团队开始探索一些多年前已经被发现的、但在很大程度上被忽视的材料,并进行了实验。他们将镍原子像珍珠一样串到一串由碳和硫制成的分子珠中,随后开始测试。
材料结构示意图。镍原子为绿色,碳原子为灰色,硫原子为黄色。(图/Xie et al.)
令科学家惊讶的是,这种新材料很容易就能强烈地导电。更重要的是,它非常稳定。研究人员尝试对它加热、冷却,将它暴露在空气和一定湿度中,甚至将酸和碱滴在了上面,但没有发生任何问题。这对一个必须在现实世界中运作的设备来说是非常有帮助的。
但是对科学家而言,最引人注目的还有,这种材料的分子结构是无序的。从基本的层面来看,这似乎不应该能够成为一种金属。目前还没有哪种坚实的理论能解释这样的现象。
团队试图了解这种材料如何能够导电。经过测试、模拟和理论研究,他们认为,这种材料其实形成了层,简单理解,那就像千层面中的薄片。即使这些薄片侧向旋转,不再是整齐的千层面,但只要有接触,电子仍然可以水平或垂直地移动。
材料的层次结构示意图。(图/Xie et al.)
这样的结果对导电材料而言可以说是史无前例的。它差不多就像导电橡皮泥,你可以把它压到合适的位置,它就能导电。
全新的应用可能
科学家相信,这一发现或许大有用处。如果想发明一些革命性的东西,往往首先从发现一种全新的材料开始。
原则上,这为设计一类全新的材料开辟了道路,这类材料可以导电,易于成型,并且在日常条件下非常坚固。从本质上讲,它为一个极其重要的技术类材料提出了新的可能性。这一发现为电子技术提出了一个根本性的新设计原则。
这种材料的另一个颇具吸引力的特点是新的加工选择。例如,金属通常必须被熔化,才能制成芯片或设备所需的形状,这就限制了能用它们做什么,因为这意味着,设备的其他部件必须能够承受处理这些材料所需的热量。
这种新材料则没有这样的限制,它可以在室温下制造,也有机会用在需要能够承受热、酸、碱或潮湿的位置。研究人员仍在探索这种材料可能做出的不同形式和功能。比如,也许可以让它变成2D或3D材料,或者多孔材料,甚至通过添加不同的连接或结点,引入其他功能。
Anderson实验室一角。(图/芝加哥大学)
制造任何类型的电子设备,无论是智能手机、太阳能电池板还是电视,导电材料都是绝对必要的。到目前为止,最古老和最大的一组导体是金属:铜、金、铝。大约50年前,科学家们能够使用一种被称为“掺杂”的化学处理方法,制造出由有机材料制成的导体。“掺杂”是指在材料中撒入不同的原子或电子,这些材料比传统金属更灵活,更容易加工,但问题是它们不太稳定,如果暴露在湿气中或温度太高,它们可能会失去导电性。
科学家们认为,一种材料必须有内部分子笔直、有序的排列,才能有效地导电。于是,研究人员将镍原子像珍珠一样穿成一串由碳和硫制成的分子珠进行测试。
令科学家惊讶的是,这种材料很容易导电,且导电性很强。更重要的是,它非常稳定。这种新材料可以在室温下制造,还不受炎热、寒冷、潮湿以及酸碱环境的影响。
更令人惊讶的是,这种材料的分子结构是无序的。“从基本面来看,这不应该是一种金属。”安德森说,“没有一个可靠的理论来解释这一点。”
科学家们试图了解这种材料是如何导电的。经过测试、模拟和理论工作,他们认为这种材料可以形成层,就像千层面中的薄片。即使薄片横向旋转,不再形成整齐的千层面堆叠,但只要这些薄片相互接触,电子仍然可以水平或垂直移动。
安德森说:“这几乎就像是导电的橡皮泥,把它涂在适当的位置,它就会导电”。
由该公众号翻译自University of Chicago的新闻稿。
原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/VKGDR9ATkajQcT3bf7r_SQ
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公司简介
Company Profile
广东立恒新材料科技有限公司
2018年立恒在”广东北大门“之称的乐昌市建立了全新的生产研发中心,工场一期厂房占地面积15亩,二期计划60亩用地,致力于石墨烯/碳纳米管/超导碳黑、导电高分子、可生物降解、高比重、结构性增强、抗菌等高性能新材料改性塑料及其应用的研究和开发,已成功开发出50多种基材,600个成熟配方,目前是全球品种较全、型号较多的导电导热生物降解塑料改性工厂之一,拥有“生物降解塑料和纳米超导电塑料”两大核心改性技术。
随着乐昌研发生产基地的成立,立恒新材料Lihon将为客户提供更迅速、更高效的技术支持和销售服务,并为客户开发定制的解决方案,最大化地满足客户的需求。
前瞻未来,广东立恒更持续投入塑料新材料领域之探索与开发,落实公司永续经营的愿景,提高产业附加价值,并以便利人类生活,提升生活质量,打造美好未来为目标。
In 2018, Lihon established a new production and R & D center in Lechang City, which is known as "Guangdong north gate". The first phase of the workshop covers an area of 90000 square feet, and the second phase plans to use 180000 square feet. It is committed to the research and development of graphene / carbon nanotubes / superconducting carbon black, conductive polymer, biodegradable, high specific gravity, structural reinforcement, antibacterial and other high-performance new material modified plastics and their applications Gongkai has developed more than 50 kinds of base materials and 600 mature formulas. At present, it is one of the most comprehensive and diversified biodegradable plastics modification plants in the world, with two core modification technologies of "biodegradable plastics and nano superconducting plastics".
With the establishment of Lechang R & D and production base, lihon will provide customers with more rapid and efficient technical support and sales services, and develop customized solutions to meet customers' needs to the greatest extent.
Looking forward to the future, Guangdong Lihon will continue to invest in the exploration and development of new plastic materials, implement the company's vision of sustainable operation, improve the added value of the industry, and take the convenience of human life, improve the quality of life, and create a better future as the goal.
工艺设备
Process Equipment
立恒新材料引进日本专业混炼、造粒工艺,生产出高品质改性塑料会极大地提高终端产品的应用性能。开发的导电塑料、生物降解塑料、永久抗静电塑料其他改性合金塑料凳,添加方便,工艺匹配度好,可以快速切换生产。广东立恒新材料乐昌生产基地配备了标准的混炼、成型和测试设备,包括密炼机、捏合机、双辊开炼机、注塑机、吹塑机和片材挤出机等,能够最大程度地模拟客户现场生产工艺,确保开发出稳定的高性能材料和产品。
Lihon new materials introduces imported professional mixing and granulation process to produce high-quality modified plastics, which will greatly improve the application performance of terminal products. It is convenient to change the production process of conductive plastic and anti-static plastic. Guangdong Lihon new material Lechang production base is equipped with standard mixing, molding and testing equipment, including internal mixer, kneader, double roll open mixer, injection molding machine, blow molding machine and sheet extruder, which can simulate the customer's on-site production process to the greatest extent and ensure the development of stable high-performance materials and products.
品质政策
Quality Policy
本公司生产一向秉持质量至上、客户第一之原则,对产品的质量管理极为严格。为提升客户对产品之信赖度及实现公司经营理念,本公司从2012年中开始于 ISO 9002质量系统之实践 。2016年时,更致力于ISO 9001:2015年版国际标准之建立。期盼藉由此一质量保证模式要求使质量与服务能满足客户需求。
我们承诺以下政策﹕
1. 在制造技术上要不断研发,在质量控制上是绝对严谨。
2. 持续降低成本,提升生产力,提高产品质量。
3. 以顾客服务为导向,满足顾客要求,提升顾客满意度。
4. 结合原物料商、高等院校科研单位及客户,共同持续改善质量管理系统。
5. 符合法令与法规要求,遵循并顺应国际标准趋势。
6. 推动「高值化」策略,成为「质与量并重的立恒」。
7. 由售后服务转为售前服务,成为「服务的立恒,您的产品开发塑胶部」。
The company always adheres to the principle of quality first and customer first, and has strict quality management on products. In order to enhance the customer's trust in products and realize the company's business philosophy, the company started the practice of ISO 9002 quality system in the middle of 2012. In 2016, we are more committed to the establishment of ISO 9001:2015 international standard. It is expected that the quality and service can meet the needs of customers.
We are committed to the following policies:
1. Continuous research and development in manufacturing technology and absolute strictness in quality control.
2. Continuously reduce costs, improve productivity and product quality.
3. Customer service-oriented, meet customer requirements, improve customer satisfaction.
4. Continuously improve the quality management system in combination with raw material suppliers, scientific research institutions and customers.
5. Comply with the requirements of laws and regulations, and comply with the trend of international standards.
6. To promote the strategy of "high value" and become "the constant of both quality and quantity".
7. Change from after-sales service to pre-sales service, and become "Liheng of service, your product development department".
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5. 提供平等和公平的工作环境,禁止任何形式的歧视行为。
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