导电聚合物：塑料中的一朵奇葩

你可曾想象像胶卷一样可以卷曲的电视机屏幕，可曾想象穿在身上的计算机……今天科学家对导电聚合物的研究，将使这些貌似天方夜谭的新生活在不久的将来成为现实。 

导电聚合物的发现，已经过去二十多年了。在这期间，它多次获诺贝尔奖提名，遗憾的是一直未能问鼎。2000年诺贝尔化学奖终于颁给了导电聚合物的三位发明者：美国物理学家黑格(A.J.Heeger)、美国化学家麦克迪尔米德(A.G.MacDiarmid)和日本化学家白川英树 (H.Shirakawa)。 

说起导电聚合物的发现,还有一段耐人寻味的故事。1977年，日本科学家白川英树的一个学生在做合成聚乙炔的实验中出现了一个偶然的失误,他向聚合体系中多加入了1000倍的催化剂,结果却让白川英树非常吃惊：一层美丽的具有金属光泽的银色薄膜出现了！这种闪闪发光的薄膜是反式聚乙炔。 

与此同时,在太平洋彼岸，麦克迪尔米德和黑格正在试验用无机聚合物氮化硫制备具有金属光泽的薄膜。在日本东京的一次学术交流会的咖啡休息时间里，麦克迪尔米德很偶然地遇见了白川英树，当他得知他的同行发现了聚合物闪光薄膜后，便邀请白川英树到宾夕法尼亚大学访问。之后，他们着手通过碘蒸气氧化掺杂聚乙炔。黑格让他的一个学生来测量这种薄膜的导电性，结果发现经碘掺杂的反式聚乙炔的电导率提高了上千万倍！1977年，他们把这一发现发表在英国皇家学会的 The Journal of Chemical Society: Chemical Communications上。 

导电聚合物的导电机制 

瑞典皇家学会在诺贝尔奖的颁奖新闻公报中说,我们已习惯于科学发现对日常思维方式的巨大冲击，今年的诺贝尔化学奖也不例外。一般认为,塑料是绝缘体,但以上三位科学家（指黑格、麦克迪尔米德和白川英树）却告诉我们：在一定的条件下，塑料可以像金属一样导电。

也许人们要问，导电聚合物这种特殊的塑料为何能够导电呢？塑料是小分子聚合体，如果它要导电，就必须像金属一样，其中的电子可以自由移动,而不是被束缚在原子上。因此，聚合物具有导电性的第一个条件是它必须具有共轭的π电子体系，第二个条件是它必须经过化学或电化学掺杂,即通过氧化还原过程使聚合物链得到或失去电子。 

自由电子是金属的载流子,而电子或空穴是半导体的载流子。那么，什么是导电高聚物的载流子呢？黑格等首先提出孤子(soliton)模型，来解释聚乙炔的电导及其他物理性质。但是,聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等同样具有导电性质的聚合物有非简并基态，不能形成孤子，只能形成极化子(polaron)和双极化子 (bipolaron)。尽管孤子、极化子和双极化子来自不同的简并态,但它们的物理本质都是能隙间的定域态,因此可以认为它们是导电聚合物的载流子。 

导电聚合物的种类 

自1970年代第一种导电聚合物——聚乙炔发现以来，一系列新型的导电高聚物相继问世。常见的导电聚合物有：聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔等。 

聚乙炔是最先报道具有高电导率的、结构最简单的共轭高聚物。1987年，德国BASF公司的科学家改进了白川英树的聚合方法，得到的聚乙炔经碘掺杂并拉伸取向后电导率高达2×105西/厘米，此数值大约相当于铜电导率(6×105西/厘米)的1/3。在相同质量的情况下,它显示出比铜高2～3倍的电导率。由于聚乙炔具有特殊的光学、电学和磁学性质以及可逆的电化学性质，它在二次电池和光电化学电池方面显示诱人的应用前景，但最致命的弱点是它在空气中不稳定。 

聚噻吩和聚吡咯具有将聚乙炔的氢用硫或NH取代的结构,尽管它们的电导率没有聚乙炔高,但其稳定性好,能够用于制备电子器件。 

被称为“苯胺黑”的聚苯胺粉末早在1910年已经合成出来,然而直到从酸性的水溶液介质中通过苯胺单体的氧化聚合而制备的聚苯胺才具有较高的电导率。聚苯胺具有结构多样化、在空气中稳定、物理化学性能优异、制备工艺简单等特点,在二次钮扣电池和电致变色等方面有着诱人的应用前景。 

导电聚合物的性能与应用 

导电聚合物不仅具有较高的电导率，而且具有光导电性质、非线性光学性质、发光和磁性能等，它的柔韧性好，生产成本低，能效高。导电聚合物不仅在工业生产和军工方面具有广阔的应用前景，而且在日常生活和民用方面都具有极大的应用价值。 

导电聚合物具有掺杂和脱掺杂特性、较高的室温电导率、较大的比表面积和比重轻等特点，因此可以用于可充放电的二次电池和电极材料。日本的精工电子公司和桥石公司联合研制的3伏钮扣式聚苯胺电池已在日本市场销售，德国的BASF公司研制的聚吡咯二次电池也在欧洲市场出现,日本关西电子和住友电气合作试制出高输出大容量的锂－聚合物二次电池。与普通的铅蓄电池相比,这种二次电池具有能量密度高、转换效率高和便于管理等特点。 

导电聚合物在电化学掺杂时伴随着颜色的变化,它可以用作电致变色显示材料和器件。这种器件不但可以用于军事上的伪装隐身，而且可以用作节能玻璃窗的涂层。 

导电聚合物具有防静电的特性,因此可以用于电磁屏蔽。传统的电磁屏蔽材料多为铜或铝箔，虽然它们具有很好的屏蔽效率，但重量重，价格昂贵。导电聚合物在电磁屏蔽方面具有几乎同样的性能,并且有成本低、可以制成大面积器件、使用方便等优点,因此是传统电磁屏蔽材料的一种理想替代品，可以用在诸如计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起搏器上。

导电聚合物的电导率依赖于温度、湿度、气体和杂质等因素,因此可作为传感器的感应材料。目前，人们正在开发用导电聚合物制备的温度传感器、湿度传感器、气体传感器、pH传感器和生物传感器等。 

导电聚合物还可以用来制作二极管、晶体管和相关电子器件,如肖特基二极管、整流器、光电开关和场效应管等。 

有些导电聚合物具有光导性,即在光的作用下,能引起光生载流子的形成和迁移,可以用作信息处理如静电复印和全息照相,也可以用于光电转换如太阳能电池。 

导电聚合物之所以引人注目，不仅是因为它具有好的电性能,而且还在于它具有不寻常的光学特性。导电高聚物具有好的非线性光学性能,它的非线性光学系数大, 响应速度快。由于非线性光学材料具有波长变换、增大振幅和开关记忆等许多功能,因此作为21世纪信息处理和前所未有的光计算基本元件而特别令人关注。另外,导电聚合物还是光折变和光限幅材料。 

自1990年剑桥大学推出聚合物电致发光器件以来，在材料科学和信息技术领域引起了世界范围内的国际竞争——有机高分子全色平面显示材料与器件。它所具有的自发光、高亮度、高效率、低压直流驱动、低成本、无视角依赖、快响应速度、薄、轻、柔性好、大面积和全色显示等优点，给现代显示技术展现了美好的前景。该领域吸引着许多国家不同学科的科学家以及越来越多的研究机构和公司的关注和投入。目前，菲利浦和柯达公司用有机LED制作手机显示屏,先锋公司用有机 LED制作汽车显示屏,并建成了月产3万台的生产线。2005年以前，有机聚合物LED的市场预计有35亿美元。 

人们早已确认了氧化还原蛋白质的存在,后来随着对金属蛋白质立体结构的了解,蛋白质内部的电子转移的研究工作也活跃起来。最新研究发现,DNA具有导电性。因此,与生命科学相结合,导电聚合物可以用来制造人造肌肉和人造神经,这将是导电聚合物在应用上的又一重大突破。 

导电聚合物面临的挑战 

尽管导电聚合物向世界预示了一个美好的未来,但目前的研究还面临着一些挑战。在基础研究方面，理论还不完善,基本上沿用的还是无机半导体理论；分子尺度上的自组装或自构筑器件还处于探索阶段；导电聚合物在生命科学中的应用刚刚起步。在应用研究方面，稳定性和加工性有待进一步改善；性能、价格和市场还面临着传统无机材料的强大竞争。 

总之,导电聚合物打破了普通塑料的常规,已进入市场应用或某些用途正处于试验阶段，如抗静电地毯、把阳光挡在户外的“智能”窗、用薄膜制成的太阳能电池、新型彩色显示屏、可以发光的交通标志、墙纸、衣服和装饰品等。可以预测,它将为人类提供新一代的神奇装置,如可以折叠的电视机屏幕和可以穿在身上的计算机等。尽管目前导电聚合物的研究面临一些难题,但是2000年这一工作获得诺贝尔奖,必将大大激励此领域的科学家更加努力地工作,使这一国际前沿研究领域成为21世纪科学的先驱,让导电聚合物为人类造福！