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能导电的塑料

提到塑料和橡胶，人们当然地认为它们是很不错的电绝缘体。是的，绝大多数高分子材料都具有优异的电绝缘性能，可以用来做电线的包覆、插座、插头、电器外壳等。但是，你可知道，在这一般认为不能导电的塑料家族中，却出现了一支“叛军”，这就是导电聚合物材料。说起它的发现和发展，几十年来，不知凝聚着多少高分子材料专家的心血。

纳塔教授的失败

意大利的纳塔教授是配位络合聚合理论的创立者，前面说过，是他首先在世界上把丙烯合成为聚丙烯。由于这些成就，他后来荣获了1963年的诺贝尔化学奖。从1958年起，他就对把乙炔合成为聚乙炔产生了浓厚的兴趣，开始了孜孜不倦的研究。

自配位络合聚合理论建立以后，单烯类单体的聚合研究工作已日臻完善。所谓单烯类单体，指的是那些含有两根共价键、并且能够发生聚合反应的有机小分子化合物。科学家们发现，这些小分子的那两根共价键中有一根比较牢固，称为σ键，而另一根却相对比较弱，称作π键。可采用一定的方法把较弱的π键“切断”。这样，一根π键就断成了两根“空着头”的“键”，就好像每个小分子空出了两只“手”。于是，我们就可以让小分子们“手”拉“手”地连接起来，形成分子量很大的高分子了。这就是对单烯类单体为什么能聚合成高分子聚合物的一种粗浅解释。

与单烯类单体不同，乙炔是一种很特别的小分子化合物。它的分子有3根共价键，两根是π键，一根是σ键。如果能够像对单烯类单体那样，把乙炔的π键“切断”，再让乙炔小分子“手”拉“手”地连接起来，也可以聚合成大分子。纳塔教授就是这样想的。

如果这种大分子能聚合出来，那么其中碳原子之间既有用两根键（双键）连接的，也有用一根键（单键）连接的，而且在这个分子长链中，双键和单键交替排列。这种结构形式叫作共轭结构。按照有机化学的知识，有这种共轭结构的大分子肯定会表现出许多特殊的性质。这个激动人心的想法激励着纳塔教授为此工作了许多年，甚至在他得病瘫痪在床上时，依然在妻子的帮助下顽强地进行着研究。可是，经过无数次实验，他始终只得到一些黑色的粉末，不能制成像样的材料。直至1979年他去世时，这项工作仍然没有很大的进展。尽管纳塔一生取得了许多科学成就，但在乙炔聚合的研究上，他终于抱憾而逝。

错误导致了奇迹

纳塔教授失败了，乙炔聚合的想法却吸引了许多科学家。日本的白川英树教授从1960年开始，也投入了这个课题的研究。经过整整10年的坚持不懈的努力，收获却很小。1970年的一天，白川教授的一位朝鲜籍研究生，按照导师的指示进行着这个聚合实验。这位研究生的日语不太好，他把导师要求的催化剂浓度听错了，试验用的催化剂浓度比以前大了近100倍。然而这一错误竟然导致了奇迹——一张聚乙炔薄膜合成出来了！白川英树教授欣喜若狂，多年的愿望竟这样意外地成了现实。

科学家对聚乙炔的性能展开了全面的测定，结果表明，它的性能中最突出的是导电性能。材料的导电性能常用它的电阻率的倒数——电导率来表示，单位是西门子/厘米。电导率越大，电阻率越小，导电性能就越强。高分子材料通常都是很好的绝缘材料，因此电导率很小，在10-18～10-12西门子/厘米。白川教授他们制成的聚乙炔，电导率为10-10西门子/厘米，比一般高分子材料高了2～8个数量级。导电性的提高加上材料易成型，使得聚乙炔一下子成了材料科学家的“宠儿”。 麦克第阿密特教授的参与

白川英树教授成功了。但他深深知道，他个人的力量是很有限的，而且仅仅靠化学家的力量也不足以解决许多边缘问题。白川教授胸襟开阔，对自己的工作毫不保密，他公开声明欢迎各行各业的科学家与自己合作。

美国宾夕法尼亚大学的物理教授麦克第阿密特在仔细参观了白川的实验室后，决定与他携手共同开展对聚乙炔的进一步研究。

麦克第阿密特教授擅长于单晶硅的掺杂工作。我们知道，单晶硅本身并没有半导体性质，只有掺入某种元素以后才能制成半导体晶体管。这叫作掺杂。麦克第阿密特教授带领他的工作小组，展开了对聚乙炔的掺杂研究。他们进行了选择合适的掺杂剂，寻找掺杂的最佳条件，确定掺杂工艺等一系列艰难的工作，终于在1977年得到了研究成果：用白川方法制成的聚乙炔薄膜，经碘掺杂后，电导率达到了102西门子/厘米。这就是说，将原先聚乙炔的电导率提高了12个数量级。多么了不起的进展！

纳尔曼更上一层楼

宾夕法尼亚大学聚乙炔研究小组的工作已尽善尽美，用掺杂法提高聚乙炔的电导率也几乎走到了尽头。然而102西门子/厘米仅仅使聚乙炔属于半导体范围，人们还期望着更大的发展。 “山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。”纳塔、白川这些高分子化学家无法解决的问题，由麦克第阿密特等物理学家接过来解决；现在他们又面临新的挑战，于是又有高分子物理学家和高分子材料专家来接手。前联邦德国的纳尔曼教授正是其中之一。

纳尔曼教授用白川催化体系获得聚乙烯后，马上对其进行特殊的熟化和拉伸取向处理，将处理好的聚乙炔薄膜再用宾夕法尼亚大学研究小组的办法掺杂，结果使这种材料的电导率提高到了1.2×105～1.7×105西门子/厘米，也就是说，又提高了3个数量级，从而达到了导体的指标。这项工作成就是1987年报道的，可见，为了这3个数量级，科学家们又花了10年时间。

在金属中，金和银是最佳导体，而广泛应用的是居第三位的铜，它在室温时的电导率为5.5×105西门子/厘米。纳尔曼的聚乙炔其导电能力已与铜相近了，而且它在空气中能很稳定地存在。 后来，又有其他科学家如黑格等人，认为纳尔曼的方法还有可改进之处。用他们改进了的方法研制成的聚乙炔，经测量，电导率竟高达2×106西门子/厘米，也就是说，超过了铜，是真正的导电塑料了。

风起云涌的导电聚合物

从1958年纳塔教授的研究开始，到1987年纳尔曼教授的成功，经过30年的努力，导电聚乙炔终于诞生了。事实上，聚乙炔只是导电塑料的一种。这些年来，对其他导电塑料的研究也有许多成就，每年发表的有关论文达数百篇。单是美国，在这几年的美国物理学会和美国化学学会的年会论文中，有近一半是关于导电高分子材料的。研制成功的导电塑料有：聚苯胺、聚噻吩及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚对苯乙炔、聚对亚苯基等。

导电聚合物的研究除了在开发品种上，还在导电机制上、导电聚合物的应用、超导聚合物等方面取得了进展。在应用方面已有许多成功的尝试，我们举几个例子。

导电聚乙炔的吸收光谱与照到地面上的太阳光十分相似，也就是说，导电聚乙炔能把太阳光中几乎所有的能量都吸收下来，因此是做太阳能电池的理想材料。