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。

参考来源：

https://news.uchicago.edu/story/university-chicago-scientists-discover-material-can-be-made-plastic-conducts-metal

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05261-4

封面图&首图：Frank Wegloski