2000年诺贝尔化学奖与导电聚合物，本文主要内容关键词为：诺贝尔论文,聚合物论文,化学奖论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
20世纪的最后一个诺贝尔化学奖于2000年10月颁给了三位在导电聚合物的研究中获得杰出成就的化学家：美国的黑格、马克迪尔米德和日本的白川英树。共享这个荣誉的三位化学家不仅私交甚好，而且在这个领域的开拓初期曾经共同工作过。
导电聚合物，准确的说，应当指导电有机聚合物。常见的有机聚合物通常分为塑料、橡胶和纤维三类，在人们的经验里，它们都是不导电的。在冬天或气候干燥的地区，这类材料制成的物品，很容易产生静电。这个现象正好说明了它们不能把因为摩擦或感应而产生的电荷传走，和玻璃、毛皮一样是电的绝缘体。在电器制造中，一直广泛地利用着它们的这个性质。所以一旦有人发现经过特殊改造之后，其中有的品种能够像金属一样地导电，并且具有重要的实用价值，必然会令人感到大出意外。
早在1862年，英国的一位科学家在硫酸中进行苯胺的阳极氧化时，就得到过一种具有部分导电性的物质，很可能就是后来的聚苯胺。关于无机导电聚合物的研究在20世纪70年代初期也得到不少成果，不过当时人们关注的是它们可能存在的超导性。由于未能发现这类聚合物的实用价值，因而并未引起人们广泛的注意。
导电随合物的重要性在人们开始期望设计和构建分子计算机的探究中突现了出来，因为分子计算机的研究中首先想到或遇到的问题是分子器件间的分子导线问题。黑格和马克迪尔米德早期研究得很有成绩的聚氮化硫，就是一种无机的导电聚合物，而且可表现有超导性。可惜它非常不稳定，有时可以发生爆炸式的分解，很难付储实用。但是他们在这项研究工作中所积累的丰富经验，特别是通过掺杂来改变导电聚合物的导电率的经验，对于后来的发现和发展导电有机聚合物的工作，起到了十分关键的作用。
白川的早期的研究工作是利用在低压聚乙烯的生产中所用的一种名为齐格勒纳塔催化剂来催化乙炔的聚合反应。白川发明了一种先把催化剂在不溶性溶剂中成膜，然后利用乙炔气的分压来控制它在催化剂薄膜上聚合速率的办法，从而制得了具有铜一样颜色的聚乙炔薄膜。有一次他的一位研究生在做这项研究时，错误地把催化剂的用量加大了几十倍，结果得到了一种银白色的聚乙炔薄膜，虽然有着金属的光泽，但是却不导电。
1977年白川应邀来到美国，和黑格及马克迪尔米德一起从事用卤素处理白川所得到的银白色聚乙炔薄膜的研究。结果发现，聚乙炔薄膜的电导率增加了10[9]倍，达到10[5]S/m（西门子/米），远远超过此前所有的聚合物。和已知的绝缘材料及导电材料相比（聚四氟乙烯的电导率为10[－16]S/m，玻璃的电导率为10[－8]S/m， 半导体材料锗的电导率为1S/m，铜的电导率为10[8]S/m），它已经可以归入导电材料之列。
聚乙炔具有导电性，关键是因其结构特征和掺杂物质在起作用。聚乙炔的分子链都是由单键和双键交错排列组合而成的，这种类型的化学键称作共轭双键。在这种结构中，电子容易流动。如果在其中加入碘等杂质，电子就会被杂质吸引，电子原来所在的位置就会出现空洞。于是，其他电子先后流动起来，以弥补这个空洞，于是产生了电流。如同在体育比赛中运动员利用兴奋剂来提高成绩，杂质虽然不会改变聚合物的结构，但会使电子处于兴奋状态，从而形成电流。在聚合物中掺杂使其具有导电性的行为，相当于为其“服用兴奋剂”。
在此后的研究中，白川小组在聚乙炔中顺式/反式比比率的控制条件研究中取得进展，例如在150 ℃的正十六烷中进行聚乙炔的催化聚合，可以得到全反式的聚乙炔。此外还发现，顺式聚乙炔掺杂后，电导率增加更明显；碘可以先使聚合物完全异构化为反式，有利于有效地掺杂，掺杂聚乙炔的取向性也更好；用五氟化砷掺杂的顺式聚乙炔的电导率可提高10[11]倍。他们的这一系列工作开创了“塑料电子学”的新领域。
20世纪80年代后开展研究的其他导电聚合物，有聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺和聚亚苯基亚乙烯等。其中聚乙炔仍然是最重要的结晶导电性聚合物，但是并不是第一个进入市场的导电聚合物。因为它很容易被氧化而且对潮湿非常敏感。聚吡咯和聚噻吩与聚乙炔的最大不同在于可以直接合成已掺杂的材料，而且在空气中非常稳定，可惜的是，他们的电导率只有10[4]S/m左右，低于聚乙炔，但是对于某些实际应用来说， 已经可以满足要求了。
经过三位科学家极富创造性的研究，导电聚合物已经展现出它的广阔的应用前景。人们最看重的是聚合物材料具有的良好柔韧性，易于加工成型，成本低廉，而且能效较高。目前对导电聚合物材料用途的开发，不仅包括抗静电地毯，抗电磁辐射的计算机视保屏等普通商品，而且还包括可以折叠的电视机彩色显示屏以及能“过滤”太阳光的“智能”窗户，薄膜太阳能电池，发光二级管，可以发光的交通标志、墙纸、衣服和装饰品等。
例如，聚苯胺的不同质子化和氧化形式可以显示出所有的色区，在制造显示屏时，视角几乎没有限制，它的电光性质可用来制造智能化玻璃；掺杂的聚苯胺还可用于电子线路的电磁屏蔽和腐蚀阻化剂；聚亚乙二氧基噻吩在用聚苯乙烯磺酸掺杂后用在照相技术中的防静电剂，在聚合物发光器件中子用作空穴注入电极材料；聚亚苯基亚乙烯基及其衍生物现在是制造电光显示（如移动电话用显示屏）用活性层的首选材料，聚二烷基芴及其衍生物在全色点阵视屏中用作发射层；聚噻吩及其衍生物可能用作超级市场付款机用的场效应三极管；聚吡咯曾试验用于微波吸收屏的涂层，同时也可以在多种传感器件中用作活性薄膜……
导电聚合物的研究成果，还对分子电子学的迅速发展起到推动作用。将来，人类将能制造由单分子组成的晶体管和其他电子元件，这不仅大大提高计算机的运算速度，而且还能缩小计算机的体积，现在的笔记本电脑也许有一天可以装入手表中。
背景资料
·艾伦·黑格（A.J.Heeger,1936—）， 美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校聚合物和有机固体研究所所长
·艾伦·马克迪尔米德（A.G.MacDiarmid,1927—）， 美国宾夕法尼亚大学化学教授
·白川英树（1936—），日本筑波大学材料科学研究所化学教授