Аморфный органический полимер оказался проводником

Американские и корейские химики синтезировали аморфный полимер на основе соли никеля с тиозамещенным тетратиафульваленом. Полученный материал оказался совершенно аморфным, но при этом обладал удельной электрической проводимостью в 1200 сименс на сантиметр. Неожиданную способность аморфного материала проводить ток авторы статьи в Nature объяснили устойчивыми к изменению структуры взаимодействиями между его молекулами.

Большинство материалов на основе органических или металлоорганических соединений не проводят электрический ток. Но химики умеют создавать проводящие органические материалы. Для этого им приходится либо добавлять в готовый материал примеси, увеличивающие проводимость, либо получать кристаллические образцы полимеров — их упорядоченная структура позволяет электрическому току течь без особых препятствий.

А вот аморфные органические материалы, как правило, ток не проводят. Но химики под руководством Джона Андерсона (John Anderson) из Чикагского университета смогли получить проводящий аморфный металлоорганический материал. Для этого они взяли соль никеля — тетрахлороникелат тетраэтиламмония — и смешали ее раствор с раствором производного тетратиафульвалена. В результате реакции образовался полимер, построенный из атомов никеля, связанных с фульваленовыми циклами через атомы серы. Его структуру удалось подтвердить с помощью элементного анализа и фотоэлектронной спектроскопии.

Рентгеноструктурный анализ полученного полимера показал, что он получился совершенно аморфным. При этом измерения электропроводности спрессованных при комнатной температуре образцов полимера выдали значения удельной проводимости около 470 сименсов на сантиметр. А когда прессование провели при нагревании до 200 градусов Цельсия, проводимость увеличилась и достигла 1200 сименсов на сантиметр.

Такое поведение аморфного материала удивило химиков, и они решили изучить его структуру. Сначала ученые попытались получить кристаллические образцы их полимера, и им удалось получить частично кристаллические образцы с помощью медленной кристаллизации. Оказалось, что полученные кристаллы состоят из двумерных полимерных листов, сложенных в стопку один над другим. Причем сами двумерные листы химики наблюдали и в структуре аморфного материала, но в нем эти листы были расположены неупорядоченно.

Теоретическое моделирование кристаллической структуры полимера методом теории функционала плотности показало, что между полимерными слоями есть сильное пи-стекинговое взаимодействие, а перекрывание электронных облаков атомов серы приводит к дополнительной стабилизации. Причем когда химики анализировали не кристаллическую, а аморфную структуру, эти взаимодействия сохранялись. То есть несмотря на неупорядоченное расположение атомов, электронная структура аморфного материала практически не отличалась от структуры кристаллического. Именно за счет этого, как считают химики, аморфный материал оказался проводником.

Чтобы выяснить, насколько удобно применять полученный материал в качестве проводника, химики решили исследовать его устойчивость. Оказалось, что полимер сохраняет свою структуру при нагревании до 235 градусов Цельсия на воздухе, а его проводимость не меняется в диапазоне температур от 20 до 140 градусов Цельсия. Кроме того, выдерживание материала во влажном воздухе в течение месяца не привело к снижению проводимости.

Так химики смогли получить устойчивый к нагреванию и влаге органический проводник с максимальным значением электрической проводимости в 1200 сименсов на сантиметр.

Это не единственный пример необычных транспортных свойств металлических аморфных тел. Ранее мы рассказывали, что часть атомов в металлических стеклах движется подобно жидкости по нитеподобным траекториям даже при холодных температурах.