雷神

说到导电聚合物,不得不提的就是2000年的时候,诺贝尔化学奖授予了Alan Heeger,Alan MacDiarmid和白川英树,以表彰他们在导电聚合物工作上的卓越贡献。

正是他们在20世纪70年代的开创性的工作,发现了导电聚合物这一全新的物质。这也是大多数人第一次了解到导电聚合物这一个全新的概念。 

在传统的印象中,聚合物的代表塑料,都是绝缘体不导电。而白川英树他们的研究,却发现掺杂聚乙炔的电导率可以达到1000S/cm以上。这已经是金属导体的级别了。 不过,聚乙炔并不是第一个被发现的导电聚合物。导电聚合物的历史,可以再往前追溯。

 

 

偶获机缘 

导电聚合物的最初“问世”,说起来颇富戏剧性——源于一次偶然的无意失误。 

20世纪70年代中期,白川英树还只是日本东京工业大学的一名助教。这位东工大毕业的博士当时正带领几位研究生,从事有机半导体材料的开发研究。有一次,在进行聚乙炔合成实验时,一位研究生粗心大意,错把比正常浓度高出上千倍的催化剂加入了反应釜。结果,原本应是黑粉状的聚乙炔,在反应容器内生成了一种漂亮的银色薄膜。 

白川英树对此感到既惊讶,又好奇。他想,这薄膜是什么?其有金属光泽,是否可以导电呢?测定结果这薄膜不是导体。但正是这个偶然得到的产物,给了白川英树极大的启发。他决定抓住这个课题,进行深入探讨。在后来的研究中,他发现聚乙炔有顺式和反式两种不同的同分异构体,在不同的温度和不同浓度催化剂的条件下所进行的反应中,反应器内生成顺式或反式两种产物的比例不同。由反式聚乙炔组成的薄膜呈银白色,由顺式聚乙炔组成的薄膜呈紫铜色。这种通过变化温度和催化剂浓度来控制组成的方法后来成为制备导电聚合物的决定因素。他还发现在聚乙炔薄膜内加入碘、溴,其电子状态就会发生变化。

 与此同时,在太平洋的彼岸,美国化学家艾伦·马克迪尔米德和物理学家艾伦·黑格也在进行着同一类型的研究,他们正在试验用无机聚合物氮化硫合成类似金属的薄膜。 1976年,在日本东京的一个学术研讨会上,白川英树与马克迪尔米德在会议的咖啡休息时间里,很偶然地聚到了一起,马克迪尔米德饶有兴趣地听白川英树介绍了他发现的由有机聚合物形成的闪光薄膜,当即邀他赴美开展共同研究,白川英树愉快地接受了邀请。

导电奥秘

聚合物或称高分子化合物,是由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机化合物。之所以称为高分子,是因为它的分子量高。高分子量对化合物性质的影响就是使它具有了一定的强度,从而可以作为材料使用。因为高分子化合物一般具有长链结构,每个分子都好象一条长长的线,许多分子纠集在一起,就成了一个扯不开的线团,这就是高分子化合物具有较高强度,可以作为结构材料使用的根本原因。

前程似锦

当然也应看到,导电聚合物的研究当前还存在一些问题,如理论上还不完善,材料性能与金属相比有差距等。在现实应用上,目前也还处在突破的前夜,真正的实用化还未取得质的进步,还需要进行探索和验证。

不过,近年来的研究成果已经显示了导电聚合物具有广阔的发展前景。专家评价说,导电聚合物材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在十多个数量级的范围内进行调节等特点。它不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品,而且已成为先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类新型材料,在国家安全、国民经济、工业生产和日常生活等各个方面都有极大的应用价值。

例如,导电聚合物具有防静电的特性,是理想的电磁屏蔽材料替代品,可以应用在计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起搏器上;它同时具有掺杂和脱掺杂特性,因此可以做可充放电的电池、电极材料;它对电信号的变化非常敏感,因此可以做传感器;它能够吸收微波,因此可以做隐身飞机的涂料;它能够防腐蚀,因此可以用在火箭、船舶、石油管道以及污水管道中;利用导电聚合物可以由绝缘体变为半导体再变为导体的特性,可以使巡航导弹在飞行过程中隐形,然后在接近目标后绝缘起爆;与纳米技术相结合,导电聚合物可以制成分子导线材料,制作分子器件和其他电子元件;与生命科学技术相结合,导电聚合物可以用来制造人造肌肉和人造神经,以促进DNA生长和修饰DNA。