导电聚合物的发展方向

导电聚合物即通常所说的“导电塑胶” 的发现已经过去了几十年，在这期间多次被提名诺贝尔奖，但是一直未能修成果。直到诺贝尔化学奖终于颁给了它的三位发明者，美国 宾夕法尼亚大学马克迪米德教授、另一位美 国科学家黑格尔教授以及日本科学家白川英树教授。正是由于他们的努力，导电聚合物才成为了对物理学家和化学家都具有重要意义的研究课题。

对这次诺贝尔化学奖的颁布结果，中国科学院化学所万梅香研究员由衷地感 到高兴，因为获奖者之一的马克迪尔米德教授是她的博士后导师。"导电聚合物获得诺贝尔奖，是对从事该项工作的人的最大肯定和鼓舞。"她说。在接受记者采访时，万梅香研究员介绍说，在传统 观念中，有机高分子聚合物 塑料等是绝缘体，是不导电的。但是上述三位科学家成功地 制造出了一种"导电聚合物"，使它的导电性能达到了103s／cm，约为铜的一半.一般说来，物体可以分为四种形态：绝缘体、半导体、导体和 超导体，导电聚合物实现了从绝缘体到半导体、再到导体的变化，是所有物质 中能够完成这种形态变化跨度最大的，正是这些特性使导电聚合 物具有了许多优异的应用性能。

1977年,日本科学家白川英树的一位学生在做合成聚乙烯的实验时，将催 化剂的量不小心提高下三个数量级，结果合成出来的聚乙烯不是通常情况的粉末状，而是成为了具有金属光泽的薄膜状。此时美国科学家马克迪尔米正好在白川英树的实验室 做访问学者，他知道了这件事情，马上将这种薄 膜与他一直在思索的聚合物的导电性问题联系起来。之后他们利用无机半导体杂的办法，将碘掺杂到这种薄膜中，使聚乙烯电学性能从10-9提高到103， 从而达到了金属态。后来，美国另一位科学家黑格尔利用导电聚合物发明了种可以弯曲、很薄的电子器件发光二极管，迈出了导电聚合物实用化的第一步。

由于规模化应用没有得到很好的突破，导电聚合物一度陷入低潮，但是对于它的研究一直在继续。中国科学院化学所钱人元院士说："科学研究就是这样的，一个巨大的发现在当时可能并不引人注目；但是它的价值一定会有得到认可的一天。投资技术的研究有时间上的风险，你不能总要求它在商业化上立竿见影。"

诺贝尔奖揭晓前，万梅香研究员在为次合成金属会议准备的讲稿中说：“导电聚合物领域发展至今仍然是材料领域和高新技术领域的研究热点；在该领域内挑战与机遇并存；最近的研究成果预示导电聚合物领域将在21世纪的材料领域起主导作用，科学家的梦想将会实现。”她没有想到的是，会议还没有开，导电聚合物就成为了世纪之交化学领域的主角。“我们的梦想就是让导电聚合物得到大规模的应用，”她兴奋地说：“现在导电聚合物得到了诺贝尔奖，这是对从事该项研究和工作的人的肯定和鼓舞。导电聚合物目前的处境与50年代塑料的处境非常相似，现在我们更有理由相信大规模应用一定会实现。

导电聚合物的应用研究 

据万梅香研究员介绍，导电聚合物不仅在国家安全、国民经济，而且在工业生产和常生活等领域都有极大的应用价值，是这些领域非常有用的一种材料。发光二极管现的性能已经可以与无机发光材料相媲美，并且已经商业化，这将是导电聚合物大规模用的一个突破口。

导电聚合物具有防静电的特性，因此它可以用于电磁屏蔽。传统的电磁屏蔽材料多为铜，导电句聚合物在这方面具有几乎同样的性能，并且它成本低，不消耗资源，大面积和可以方便应用，因此它是一种非常理想的电磁屏蔽材料替代品，可以应用在计算机房、手、电视机、电脑和心脏起搏器上。 　

导电聚合物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材料，制作分子器件和其他电子元件。 　　　

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，以促进DNA生长和修饰DNA。这将是导电聚合物研究在应用上最重的一个趋势。 　　　　

万梅香研究员特别指出，导电聚合物不能称作"导电塑料"，因为导电塑料是在塑料里掺半导体材料，其过程是一个简单的复合过程。而导电聚合物的形成是一个分子合的过程，是本征导电。

我国的导电聚合物研究 

中科院化学所钱人元院士说，我国在导电聚合物方面的研究已经有了20多年的历史 ，并且研究水平是与国际接轨的，我们有很多科学家部曾经在今年获奖者的实验室里工作过，现在也一直从事这方面的研究：钱院土本人从1978年起就开始从事导电高分子的 研究，其中对于导电聚吡咯的研究极为成功。 　　　　

万梅香研究员一直从事导电聚合物的结构和性能研究，致力于解决导电聚合物的电磁功能化中的磁损耗问题，不仅使导电高分子具有电性，而且还具有了磁性，她发明的模板合成方法制备导电聚合物微管已经成功，并获得国家专利。微管有一个重要的特性，即除了之外还具有磁的损耗。但是微管的制备过程通常用的是模板微孔法，制备成功后要去 掉模板，所以有可能损伤微管，影响其性能。万梅香采用的无模板法避免了这些难题， 目前她正在研究导电聚合物纳米管，“我可以得到导电纳米管。”她说。 　

导电聚合物研究面临的难题 

尽管导电聚合物向世界预示了一个美好的明天，但是现在的研究还存在着一些问，"机遇与挑战并存"。虽然其导电系数目前已经非常接近铜，但是其综合电学性能铜还有差距，它离合成金属的要求也还比较远。它在理论上还不完善，基本上沿用的是无机半导体理论和掺杂概念，所以也未完全达到金属态，要从分子设计的角度重实现合成金属的途径。在分子水平上，导电聚合物的自构筑、自组装分子器件的研究存在着很多问题。在最前沿的导电聚合物生命科学研究上，人的所有感知，包括皮肤 、肌肉、视觉、嗅觉等等与电信号的关系都还需要深入的探索。 　　　　

在现实应用上，导电聚合物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，需要进一步验证。关键在于其性能、价格以及市场需要与无机材料竞争；它的稳性也需要加强，脱掺杂问题需群忻艮好的解决；在加工性能和力学性能上，它也比工塑料差。这些问题都需要在规模化应用之前解决。导电聚合物不能得到大规模应用，原因之一是有人认为它不能取代铜，因此对它的研究有很长一段时间都在低谷徘徊。万梅香研究员说，其实没有必要要求它取代铜，能利用它的特色．在一些特殊场合发挥作用，它对人类的贡献就足够大了。2000年诺贝化学奖，终于使一度陷入低谷的导电聚合物研究走上了历史舞台的前面。

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。

来源互联网，电子材料圈编辑整理。

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