塑料導(dǎo)電后的新奇世界

林秀英

塑料也導(dǎo)電

塑料是日常生活中隨處可見的一種材料，它們最常用的一種功能就是絕緣——無論城市中鋪設(shè)的電纜網(wǎng)絡(luò)，還是家庭中使用的插座開關(guān)，都使用塑料作為導(dǎo)線外面的絕緣外殼。雖然塑料是良好的絕緣體，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果在塑料內(nèi)摻雜某些物質(zhì)，或者設(shè)計(jì)具有特殊分子結(jié)構(gòu)的塑料，就可以改變塑料的物理化學(xué)特性，使其具有良好的導(dǎo)電性能。

白川英樹

那么塑料又為什么會導(dǎo)電呢？科學(xué)家認(rèn)為，塑料是高分子聚合物，分子中有很多個(gè)碳原子、氫原子，“手拉手”地連接成長鏈。碳原子有相互“拉”著一個(gè)或幾個(gè)電子的能力?！袄睅讉€(gè)電子的碳原子，控制電子的能力相對較弱，使塑料具有成為半導(dǎo)體的潛質(zhì)。如果對塑料進(jìn)行摻雜，那么碳原子又會很容易地被摻雜物奪走電子，而留下空位。這好比擠滿汽車的停車場，一旦有一輛車從出口離開車場，另一輛車就能進(jìn)入一樣。當(dāng)外界施加一定的電壓后，聚合物分子中空位附近的電子就會進(jìn)入空位，并造成新空位，這樣交替持續(xù)就造成電流，使塑料成為導(dǎo)體。

不要小看了導(dǎo)電塑料，這可是諾貝爾獎(jiǎng)級別的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而且其背后還有一個(gè)有趣的故事。1967年9月，日本東京大學(xué)的化學(xué)家白川英樹正在研究一門前沿科學(xué)——讓塑料導(dǎo)電。在實(shí)驗(yàn)室里，白川英樹指導(dǎo)一位韓國研究生研究乙炔的聚合反應(yīng)。由于實(shí)驗(yàn)并不難，該研究生也跟隨自己學(xué)習(xí)了一段時(shí)間，因此白川英樹放心地讓學(xué)生獨(dú)立完成操作。但實(shí)驗(yàn)似乎失敗了，韓國研究生得到了一層亮閃閃、銀色的薄膜狀物質(zhì)，這與白川英樹預(yù)想得到的粉末狀乙炔聚合物截然不同。原來，韓國研究生的日語不太好，做實(shí)驗(yàn)之前沒有聽清楚白川英樹的囑咐，將摻入的催化劑的濃度提升了1000倍。雖然實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)，白川英樹還是決定測試一下實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的導(dǎo)電性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乙炔聚合物薄膜的導(dǎo)電性出奇的良好。

索尼新近推出的電子紙DPT-CP1

這次誤打誤撞的實(shí)驗(yàn)，讓白川英樹很受鼓舞，他覺得自己的研究方向選對了。經(jīng)過10年的繼續(xù)努力，1977年，白川英樹正式發(fā)表了制備高導(dǎo)電性膜狀乙炔聚合物的方法，通過向乙炔聚合物薄膜中摻雜1%的碘，可使薄膜的導(dǎo)電性能提升到金屬的程度。白川英樹的這個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)改變了“塑料不能導(dǎo)電”的觀念，也使他獲得了2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

塑料RFID標(biāo)簽

如今，導(dǎo)電塑料的研究發(fā)展迅猛，多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。最簡單也最實(shí)用的技術(shù)要數(shù)“塑料RFID標(biāo)簽”了。

塑料太陽能電池

“RFID”是無線射頻識別技術(shù)的簡稱，這種技術(shù)可以讓檢測器與標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到識別目標(biāo)的目的。無線射頻識別技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，最典型的就是超市管理。如果在超市出口處安置檢測器，在商品處貼上RFID標(biāo)簽，那么當(dāng)顧客在超市購物結(jié)束后，就無需去排隊(duì)等待收銀員，顧客可以直接推著滿滿一車商品走過檢測器，僅僅數(shù)秒，商品的總額就顯示出來了。

無線射頻識別技術(shù)的便利之處顯而易見，但標(biāo)簽的成本問題卻可能成為制約這一技術(shù)普及的瓶頸。目前，RFID標(biāo)簽多由半導(dǎo)體材料硅晶體制作，其成本高達(dá)每枚數(shù)元，這一價(jià)格對于汽車、家電等貴重商品來說無關(guān)緊要，可是對超市中眾多的低價(jià)商品來說就變得難以承受了。所以，科學(xué)家已經(jīng)想到用廉價(jià)的導(dǎo)電塑料薄膜來替代傳統(tǒng)的硅晶體材料，比如一種叫做“并五苯”的有機(jī)材料。并五苯的分子結(jié)構(gòu)包含了五個(gè)苯環(huán)，這五個(gè)苯環(huán)沿著一條直線整齊地并列著?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，這樣的分子結(jié)構(gòu)使并五苯在高純態(tài)時(shí)成為良好的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性能與硅晶體接近。利用成熟的化學(xué)氣相沉積法，可以海量生產(chǎn)出性能優(yōu)良的并五苯薄膜，用它制作RFID標(biāo)簽，成本可以降到每枚數(shù)分。

不過，并五苯RFID標(biāo)簽的信息存儲量以及化學(xué)穩(wěn)定性還不能與硅晶體相比，還需要進(jìn)一步優(yōu)化。如果解決了這些缺點(diǎn)，塑料RFID標(biāo)簽將會迅速占領(lǐng)市場，那時(shí)，可以方便結(jié)算的大型無人超市才會迎來春天。

柔性顯示和“油漆電池”

你可曾想過擁有一臺像膠卷一樣可以卷曲的平板電腦，或者玩智能手機(jī)時(shí)，可以像讀報(bào)紙那樣將它隨意翻折？科學(xué)家相信，有機(jī)薄膜晶體管技術(shù)可以做出這樣美妙的顯示器件。

有機(jī)薄膜晶體管又叫做塑料晶體管，它與傳統(tǒng)的MOS晶體管（即金屬-氧化物-半導(dǎo)體晶體管）的不同在于塑料晶體管使用的全部都是有機(jī)半導(dǎo)體材料，它所做成的顯示器有著非常好的柔韌性?？茖W(xué)家已經(jīng)找到了許多可以用于塑料晶體管的有機(jī)半導(dǎo)體材料，比如，碳60結(jié)構(gòu)的富勒烯、碳70和一些羧酸類化合物常常用作N型半導(dǎo)體材料（依靠電子導(dǎo)電）;P型半導(dǎo)體材料（依靠空位導(dǎo)電）則更加豐富，包括各種各樣的聚合物和金屬配合物（可以理解為摻雜了金屬的有機(jī)化合物），前面提到的并五苯也在其中。

日本索尼、東芝等公司研制的“電子紙”便是導(dǎo)電塑料用于柔性顯示的代表作。索尼新近推出的電子紙DPT-CP1，尺寸有A5紙張大小，厚5.9毫米，重240克，既可以作為娛樂用的顯示屏，又可以像普通紙張一樣舒適地書寫和閱讀，功能強(qiáng)大，超薄輕便，售價(jià)在數(shù)千元左右。

陽光在兩種聚合物之間的界面上產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷，這些極的工作方式與普通電池中的極相同，但是由太陽供電。

除了用作柔性顯示，有機(jī)半導(dǎo)體材料也可以制作太陽能電池。我們可以在衛(wèi)星和宇宙飛船上看到巨大的太陽能電池板，但生活中遇到的太陽能電池卻往往局限于計(jì)算器、手表等小型電子設(shè)備，原因就在于傳統(tǒng)的硅太陽能電池成本太高，制造復(fù)雜。相比之下，塑料薄膜制作的太陽能電池將在生活中擁有更加廣闊的前景。許多高分子聚合物電池成本低廉、制造容易、重量輕、易彎曲，甚至能夠“印制”在多種材質(zhì)表面。

比如，科學(xué)家使用一種叫做聚-3已基噻吩（簡稱P3HT）的有機(jī)材料，做成幾百納米厚的塑料薄板，在薄板的兩側(cè)插上硒化鎘納米棒作為電極，就做成了一塊三明治結(jié)構(gòu)的塑料太陽能電池。當(dāng)陽光照射這種電池時(shí)，可以把6%的太陽能轉(zhuǎn)化為電能。轉(zhuǎn)化效率也許聽起來還不很讓人滿意，但這種塑料電池非常薄，可以像油漆一樣“刷”在每棟建筑物外面，那么產(chǎn)生的能源就相當(dāng)可觀了。再理想一些，如果這種導(dǎo)電塑料能像普通涂料一樣色彩豐富，我們還可以把太陽能電池穿在身上，那樣隨身攜帶的電子設(shè)備的供電問題也許將得到解決。

機(jī)器人仿真和電子醫(yī)療

導(dǎo)電塑料還有更加奇特的應(yīng)用，比如用在機(jī)器人領(lǐng)域。東京大學(xué)的科學(xué)家染谷隆夫?qū)⒉⑽灞接袡C(jī)薄膜晶體管陣列植入感壓橡膠下，使它搖身一變，成了對壓力敏感的機(jī)器人的“皮膚”。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家首先制作了100平方厘米的一個(gè)塑料薄膜底板，其上有大約1000個(gè)由有機(jī)薄膜晶體管組成的“陣列”，“陣列”的周圍安裝了解碼器，可以讀取“陣列”的電阻值，科學(xué)家再在這些“陣列”上方涂上一層可以感受壓力的感壓橡膠，就做成了一塊有1000個(gè)“痛點(diǎn)”的人造皮膚。當(dāng)人造皮膚的某部位受到壓力時(shí)，感壓橡膠會發(fā)生形變，降低它所覆蓋的“陣列”的電阻值，然后解碼器會將該處“陣列”受壓的信息反饋給計(jì)算機(jī)，這就會讓機(jī)器人感受到觸覺。

讓科學(xué)家興奮的是，導(dǎo)電塑料不僅可以用來制造皮膚，還可以制造“肌肉”。使用聚丙烯酸酯橡膠，科學(xué)家可以合成出一種叫做“電活性聚合物”的導(dǎo)電塑料，當(dāng)這種塑料通電時(shí)，就會膨脹或者收縮，產(chǎn)生機(jī)械力。使用“電活性聚合物”，科學(xué)家可以使機(jī)器人做出更加靈活的動作，這將是提升機(jī)器人能力的一個(gè)突破口。

醫(yī)療領(lǐng)域也是導(dǎo)電塑料可以大顯身手的地方。美國科學(xué)家使用一種名為聚維尼烯酰胺的導(dǎo)電塑料材料，研發(fā)了可監(jiān)測心臟的“電子紋身”。這種“電子紋身”其實(shí)就是超薄的可拉伸的傳感器，由手機(jī)供電，只有28微米厚，能夠緊緊地貼合佩戴者的胸部。實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將“電子紋身”貼在佩戴者的心臟表面，當(dāng)佩戴者的心臟跳動導(dǎo)致胸腔震動時(shí)，傳感器可以生成佩戴者的心電圖，傳到手機(jī)上。目前，科學(xué)家正致力于改進(jìn)這種“電子紋身”的數(shù)據(jù)收集和存儲能力，以及如何進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到很多導(dǎo)電塑料是對人體無害的，科學(xué)家還打算研制可以植入人體的人造耳蝸以及人造神經(jīng)細(xì)胞，用來治療聽力喪失、癲癇和帕金森氏癥等神經(jīng)疾病。

相信，在未來，導(dǎo)電塑料將會在更多的科技領(lǐng)域找到用武之地。