可导电的塑料

说到材料的导电性能，科学家把材料分成3类：导（电）体、绝缘体和半导体。像塑料和橡胶之类的（大部分）高分子材料都具有良好的电绝缘性能，所以，高分子材料可用于制作电插座和插头，导电线的包覆材料，还有电器的壳体等。但是，随着高分子材料研究的不断发展，居然有的塑料可以导电。这是为什么呢？

所谓高分子化合物是相对分子数高达几千乃至几百万，甚至还要高的一类化合物。所以，又被称为“高聚物”或“大分子化合物”。聚乙烯就属于这种高分子材料。由于高分子化合物还可与别的不同形状、不同组分、不同性质的化合物构成新的复合材料，所以它们又被称为“高分子复合材料”。

提取这些材料，话题还要回到纳塔。他在世界上首次合成聚丙烯，并且从1958年开始把乙炔合成聚合物的研究。尽管从理论上展望，研究的前景很好，纳塔也很有信心，但结果是令人失望的。直到1979年，纳塔去世，他仍然未能实现乙炔的聚合。

纳塔的设想非常美妙。不仅他自己全身心地投入其中，在研究工作中，他与一些人还发生了竞争的局面。比如，日本科学家白川英树也于1960年开始研究乙炔的聚合，这样，经过10年后，白川英树坚持了下来，但收获甚微。不过，在白川英树的实验室来了一位朝鲜籍的学生。他也参与了白川英树的聚合物研究。由于这位学生的日语听力较差，在听着白川英树的吩咐时，学生听得并不明白，没有搞清楚一些数据。所以，学生在实验时，把催化剂的浓度提高了很多，达到了100多倍。不过竟然出现了“奇迹”。他们合成了一张聚乙炔的薄膜。白川英树非常高兴，毕竟取得初步的成功了。

对于聚乙炔各种性能的测定是很严格的，白川英树在测量结果中发现了一个奇特的性质，即聚乙炔竟可以导电。我们知道，确定材料的性能，可用电阻率或电导率表示。其中电导率与电阻率成反比。如果用电导率来对衡量材料的导电性能，所使用的单位是西门子/厘米。与电阻率相反，电导率越高，则说明材料的导电性能越好。如果测定高分子材料，它们的电导率在10-18～10-12西门子/厘米。这说明它们的绝缘性能很好，基本上是不导电的。白川英树合成的聚乙炔，虽然导电的性能并不好，但它的电导率可达10-10西门子/厘米。比一般的高分子材料的电导率提高了百倍，大者竟提高亿倍（即提高108倍）。

白川英树不仅运气好，得到高导电性能的高分子材料，而且表现出很好的品德。他认为，依靠他个人的力量，许多问题是他难以解决的，如果能与别的科学家合作，研究会更加顺利些。为此，白川英树将他的研究结果公开了。

当时，美国宾夕法尼亚大学的物理学教授麦克弟阿密特来到时，他仔细参观了白川英树的工作环境，并表示愿意与白川英树合作研究。

麦克弟阿密特的特长是在单晶硅中掺杂。这通常是制作晶体管或集成电路的重要的和基本的工艺。在研究聚乙炔时，麦克弟阿密特发挥他的特长，对聚乙炔进行掺杂研究。当然，他要与白川英树讨论掺杂什么物质。经过艰苦的探索，他们于1977年取得了重要的成就。他们用白川英树的方法制作聚乙炔薄膜，他们把碘作为掺杂剂。在掺入适量的碘之后，电导率提高到100西门子/厘米。这也就是说，比起普通聚乙炔的电导率又提高了1万亿倍。这的确是一个巨大的进步。

麦克弟阿密特与白川英树的合作可以看成是物理学家与化学家合作的典范，他们各自发挥各自的特长，终于在一个有趣的结合点上生长出了有益的东西。不过，是否已经尽善尽美了呢？！

从聚乙炔的研究开始，高分子化学家难以解决的问题，被半导体物理学家麦克弟阿密特解决了。不过他们获得的材料，从电导率看，这种材料只属于半导体的范围。是否还将研究更加深入呢？当时联邦德国的一位高分子专家开始进行研究，他的名字是纳尔曼。

利用白川英树的催化剂方法，纳尔曼获得了聚乙炔。他又对这种材料进行了必要的处理，再仿照麦克弟阿密特的方法进行掺杂，使材料的电导率提高到105西门子/厘米（提高了3个数量级），这就使聚乙炔成为导体。这发生在1987年，可见，为提高这3个数量级，又花去了10年的时间。

在导线之类的线材中，金、银和铜的电导率都很高，但铜的价格较低，得到了普遍的应用。其实，铜的电导率就是105西门子/厘米。可见，纳尔曼的聚乙炔的导电性能与铜差不多，而且聚乙炔的性质很稳定。此后，又有人对聚乙炔的方法进行改进，竟使其电导率达到106西门子/厘米，已经超过了铜的电导率。

从纳塔到纳尔曼的研究过程，时间跨度是1958～1987年，差不多30年了。具有优良导电性能的聚乙炔诞生了。其实，聚乙炔只是具有导电性能的塑料中的一种。人们对导电塑料的研究热情依旧不减，在一些研究文章中，除了寻找新的能导电的高分子材料，人们还深入地研究这些材料导电的机制，甚至还涉及其超导的性质。在这里只略加涉及它们的应用情况。

研究发现，可以导电的聚乙炔基本上可将太阳光的各种成分吸收进来，因此是用作太阳能电池的理想材料。有些透明的导电聚合物还可制作透光的导电膜，甚至人们把某种导电聚合物制成发光二极管。

导电聚合物可通过掺杂工艺，也可使用脱杂工艺，，使材料的导电性质可以产生不同的变化，特别是使这些材料的吸收光谱发生变化。这样的材料常常被用子制作“电致变色”的显示器件。

材料的研究已进入到微观的领域。要用到微观科学的知识，特别是涉入到纳米科学的范围。这样看来，微观领域的科学知识不仅能用在宇宙学的研究中，能用在像核能技术的开发上，还能用在已经非常成熟的化学理论中，特别是材料技术的研究中。可以想见，微观科学的知识还将继续发挥作用，推动着社会的进步。