Gør elektronik ud af kul

Jeffrey Grossman mener, at vi har set på kul helt forkert. I stedet for bare at sætte ild til det, ignorerer således den molekylære kompleksitet af dette meget varierede materiale, han siger, vi bør udnytte den reelle værdi af denne mangfoldighed og komplekse kemi. Kul kan blive grundlaget for solpaneler, batterier, eller elektroniske enheder, siger han og hans forskerhold.

Som en første demonstration af, hvad de ser som en bred vifte af potentielle højteknologiske anvendelser for dette traditionelt lavteknologiske materiale, Grossman, doktorand Brent Keller, og forsker Nicola Ferralis er lykkedes med at lave en simpel elektrisk opvarmningsanordning, der kan bruges til at afrime bilruder eller flyvinger, eller som en del af et biomedicinsk implantat. Ved udviklingen af ​​denne indledende applikation, de har også for første gang karakteriseret kemikaliet i detaljer, elektriske, og optiske egenskaber af tynde film af fire forskellige slags kul:antracit, brunkul, og to bituminøse typer. Deres resultater er netop blevet rapporteret i tidsskriftet Nano bogstaver .

"Når man ser på kul som et materiale, og ikke bare som noget at brænde, kemien er ekstrem rig, " siger Grossman, Morton og Claire Goulder og familieprofessor i miljøsystemer ved Institut for Materialevidenskab og Engineering (DMSE). Spørgsmålet han ville stille er, "Kunne vi udnytte kemiens rigdom i ting som kul til at lave enheder, der har nyttig funktionalitet?" Svaret, han siger, er et rungende ja.

Det viser sig, for eksempel, at naturligt forekommende kulsorter, uden den rensning eller forfining, der er nødvendig for at fremstille elektroniske enheder af silicium, har en række elektriske ledningsevner, der spænder over syv størrelsesordener (ti millioner gange). Det betyder, at en given kulvariation i sagens natur kan give de elektriske egenskaber, der er nødvendige for en bestemt komponent.

Design af en proces

En del af udfordringen var at finde ud af, hvordan materialet skulle behandles, Siger Grossman. For det, Keller udviklede en række trin til at knuse materialet til et pulver, sæt det i opløsning, Deponer det derefter i tynde ensartede film på et substrat - et nødvendigt skridt i fremstillingen af ​​mange elektroniske enheder, fra transistorer til solceller.

Selvom kul har været et af de mest udbredte stoffer af mennesker i århundreder, dets store elektroniske og optiske egenskaber var aldrig rigtig blevet undersøgt med henblik på avancerede enheder.

"Materialet er aldrig blevet behandlet på denne måde før, " siger Keller, som udførte meget af arbejdet som en del af sit doktorafhandling i DMSE, "for at finde ud af, hvad egenskaberne er, hvilke unikke egenskaber der kan være." For at gøre det, han udviklede en metode til at lave tynde film, som derefter kunne testes i detaljer og bruges til fremstilling af enheder.

Selv denne nye, den detaljerede karakterisering, de udførte, er kun toppen af ​​et stort isbjerg, siger holdet. De fire udvalgte varianter er blot nogle få af de hundrede, der findes, alle med sandsynligvis betydelige forskelle. Og forberedelse og testning af prøverne var, fra begyndelsen, en usædvanlig proces for materialeforskere. "Vi vil normalt lave materialer fra bunden, omhyggeligt at kombinere rene materialer i præcise forhold, " siger Ferralis, også i DMSE. I dette tilfælde, selvom, processen involverer "at vælge blandt dette enorme bibliotek af materialer, "alle med deres egne forskellige variationer.

Brug af naturens kompleksitet

Mens kul og andre fossile brændstoffer længe har været brugt som råmateriale til den kemiske industri, gør alt fra plast til farvestoffer og opløsningsmidler, traditionelt er materialet blevet behandlet som andre former for rå malm:noget, der skal raffineres til dets grundlæggende bestanddele, atomer, eller simple molekyler, som derefter kombineres igen for at lave det ønskede materiale. Ved at bruge den kemi, som naturen har givet, lige som de er, er en usædvanlig ny tilgang. Og forskerne fandt ud af, at ved blot at justere temperaturen, hvor kullet forarbejdes, de kunne tune mange af materialets optiske og elektriske egenskaber til præcis de ønskede værdier.

Den enkle opvarmningsenhed, som holdet lavede som et bevis på princippet, giver en ende-til-ende demonstration af, hvordan man bruger materialet, fra at male kul, at deponere det som en tynd film og gøre det til en funktionel elektronisk enhed. Nu, de siger, dørene åbnes for en lang række potentielle anvendelser gennem yderligere forskning.

Den store potentielle fordel ved det nye materiale, Grossman siger, er dens lave omkostninger, der stammer fra det iboende billige basismateriale, kombineret med enkel løsningsbehandling, der muliggør lave fremstillingsomkostninger. En stor del af udgifterne forbundet med chip-grade silicium eller grafen, for eksempel, er i oprensningen af ​​materialerne. Silica, råmaterialet til siliciumchips, er billig og rigelig, men den meget raffinerede form, der er nødvendig for elektronik (typisk 99,999 procent ren eller mere) er ikke. Brug af pulveriseret kul kan give en betydelig fordel til mange slags applikationer, takket være tunerbarheden af ​​dens egenskaber, dens høje ledningsevne, og dens robusthed og termiske stabilitet.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.