21世纪新材料领域里的“明星”——导电聚合物

作者: 周有恒

如果有人间你:“塑料能导电吗?”你肯定会回答:“不能! ”但我要是告诉你,在一定的条件下,塑料可以像金属一样导电,你一定感到很新奇吧。

不久前,有3位科学家——黑格教授、马克迪尔米德教授、白川英树教授,就是因为在包括导电塑料在内的导电聚合物领域所作出的卓越贡献,共同荣获了 2000年诺贝尔化学奖。

什么是导电聚合物呢?我们还是先从聚合物说起。聚合物又叫做高分子化合物,是由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机化合物。此类物质是由几千个、甚至几万个小分子化合物(称为单体)经过化学反应聚合而成的,它们好像列车一样,每一节车厢用车钩和相邻的车厢连接,这样,几千个车厢连接起来就组成了一列特别长的列车。它也像一条特别长的链条,不过,这种链条不是笔直的而是卷曲的,最后,无数条这种卷曲的长链缠绕在一起就形成了聚合物。因为它的分子量高又称为高分子化合物。

根据高分子的用途和性质,主要分为橡胶、纤维与塑料三大类。它们一般是绝缘体,电阻很大,导电性很差,所以大多数电器用品,如插头、插座等,都用它们来做绝缘材料,人们常见的电线,中间是铜导线,外面包裹着的就是塑料绝缘层。但3位诺贝尔化学奖得主的成果却向人们习以为常的“传统观念”提出挑战。他们经过研究发现,通过特殊改造之后,塑料能够表现得像金属一样,产生导电性。

导电聚合物在国家安全、国民经济、工业生产和日常生活等各方面都有极大的应用价值。

让我们先举个小例子。人们在使用各种电器时,有时由于线路短路或电流突然上升,使保险丝熔断,这时只有换上新的保险丝,才能使电路重新接通恢复正常。如果能有一种烧不断的保险丝该有多好啊!如今,这种愿望已经变成了现实。科学家用导电聚合物制成了“烧不断的保险丝”。在正常情况下,它的电阻很小,一旦电路中的电流突然增加或温度突然升高时,其电阻马上会增加10万至100万倍,从而使电路中断;待电路状况正常后,它又能恢复到原来的导电状态,可以继续使用而不损坏。

用导电聚合物制成的发光二极管,现在的性能已经可以与无机发光材料相媲美,并且已经商业化。摄影胶卷所需的抗静电物质、可减少阳光辐射的智能窗户等都使用了导电聚合物,而近来开发的半导体聚合物还广泛应用于太阳能电池、用计算机识别商品用的塑料电子标签、移动电话显示装置和微型电视显示屏等产品上。

在其他方面,导电聚合物也显示了广阔的发展前景。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;它可以作为充电电池、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;它能够耐腐蚀,因此可以用在火箭、船舶、石油管道以及污水管道中;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生长和修复DNA;与纳米技术相结合,导电聚合物可以制成分子导线材料、分子器件和其他电子元件,甚至制造由单分子组成的晶体管。这不仅可以大大提高计算机的运算速度,而且还能减小计算机的体积,今天装在电脑外壳里的计算机届时可以缩小得能装在一只手表里。

展望未来,导电聚合物将成为21世纪新材料革命的“主角”与“明星”,给人类社会的生产和生活带来新的福音。