Jeffrey Grossman tycker att vi har tittat på kol helt fel. Istället för att bara tända eld, alltså ignorera den molekylära komplexiteten hos detta mycket varierade material, han säger, vi borde utnyttja det verkliga värdet av denna mångfald och komplexa kemi. Kol kan bli grunden för solpaneler, batterier, eller elektroniska enheter, säger han och hans forskargrupp.

Som en första demonstration av vad de ser som ett brett utbud av potentiella högteknologiska användningsområden för detta traditionellt lågteknologiska material, Äcklig man, doktorand Brent Keller, och forskaren Nicola Ferralis har lyckats göra en enkel elektrisk uppvärmningsanordning som kan användas för att tina bilrutor eller flygplansvingar, eller som en del av ett biomedicinskt implantat. Vid utvecklingen av denna första applikation, de har också för första gången karakteriserat kemikalien i detalj, elektrisk, och optiska egenskaper hos tunna filmer av fyra olika typer av kol:antracit, brunkol, och två bituminösa typer. Deras resultat har just rapporterats i tidskriften Nanobokstäver .

"När man ser på kol som ett material, och inte bara som något att bränna, kemin är extremt rik, säger Grossman, Morton och Claire Goulder och familjeprofessor i miljösystem vid institutionen för materialvetenskap och teknik (DMSE). Frågan han ville ställa är:"Kan vi utnyttja rikedomen av kemi i saker som kol för att göra enheter som har användbar funktionalitet?" Svaret, han säger, är ett rungande ja.

Det visar sig, till exempel, att naturligt förekommande kolsorter, utan den rening eller raffinering som behövs för att göra elektroniska enheter av kisel, har en rad elektriska konduktiviteter som sträcker sig över sju storleksordningar (tio miljoner gånger). Det betyder att en given variation av kol i sig kan ge de elektriska egenskaper som behövs för en viss komponent.

Designa en process

En del av utmaningen var att ta reda på hur man bearbetar materialet, säger Grossman. För det, Keller utvecklade en serie steg för att krossa materialet till ett pulver, lägg det i lösning, deponera det sedan i tunna enhetliga filmer på ett substrat - ett nödvändigt steg i tillverkningen av många elektroniska enheter, från transistorer till solceller.

Även om kol har varit ett av de mest använda ämnena av människor i århundraden, dess stora elektroniska och optiska egenskaper hade aldrig riktigt studerats för avancerade enheter.

"Materialet har aldrig behandlats på detta sätt tidigare, säger Keller, som utförde mycket av arbetet som en del av sin doktorsavhandling i DMSE, "för att ta reda på vilka egenskaperna är, vilka unika egenskaper det kan finnas." För att göra det, han utvecklade en metod för att göra tunna filmer, som sedan kunde testas i detalj och användas för enhetstillverkning.

Även denna nya, detaljerad karaktärisering som de utförde är bara toppen av ett stort isberg, säger laget. De fyra utvalda sorterna är bara några av de hundratals som finns, alla med sannolikt betydande skillnader. Och att förbereda och testa proverna var, från början, en ovanlig process för materialvetare. "Vi vill oftast göra material från grunden, noggrant kombinera rena material i exakta förhållanden, " säger Ferralis, även i DMSE. I detta fall, fastän, processen innebär att "välja bland detta enorma materialbibliotek, " alla med sina olika varianter.

Att använda naturens komplexitet

Medan kol och andra fossila bränslen länge har använts som råvaror för den kemiska industrin, gör allt från plast till färgämnen och lösningsmedel, traditionellt har materialet behandlats som andra sorters råmalm:något som ska förädlas till dess grundläggande beståndsdelar, atomer, eller enkla molekyler, som sedan kombineras igen för att göra det önskade materialet. Genom att använda kemin som naturen har tillhandahållit, precis som de är, är ett ovanligt nytt tillvägagångssätt. Och forskarna fann att genom att helt enkelt justera temperaturen vid vilken kolet bearbetas, de kunde ställa in många av materialets optiska och elektriska egenskaper till exakt önskade värden.

Den enkla uppvärmningsanordningen laget gjorde som ett bevis på principen ger en fullständig demonstration av hur man använder materialet, från att mala kolet, att deponera den som en tunn film och göra den till en fungerande elektronisk enhet. Nu, de säger, dörrarna öppnas för en mängd olika potentiella tillämpningar genom ytterligare forskning.

Den stora potentiella fördelen med det nya materialet, Grossman säger, är dess låga kostnad som härrör från det naturligt billiga basmaterialet, kombinerat med enkel lösningsbearbetning som möjliggör låga tillverkningskostnader. Mycket av kostnaderna förknippade med kisel eller grafen av chipkvalitet, till exempel, är i reningen av materialen. Kiseldioxid, råmaterialet för kiselchips, är billig och riklig, men den mycket raffinerade formen som behövs för elektronik (vanligtvis 99,999 procent ren eller mer) är det inte. Att använda pulveriserat kol kan ge en betydande fördel för många typer av applikationer, tack vare avstämbarheten av dess egenskaper, dess höga ledningsförmåga, och dess robusthet och termiska stabilitet.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.