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塑料导电后的新奇世界是什么样的?

塑料是日常生活中随处可见的一种材料,它们最常用的一种功能就是绝缘——无论城市中铺设的电缆网络,还是家庭中使用的插座开关,都使用塑料作为导线外面的绝缘外壳。

塑料也导电

塑料是日常生活中随处可见的一种材料,它们最常用的一种功能就是绝缘——无论城市中铺设的电缆网络,还是家庭中使用的插座开关,都使用塑料作为导线外面的绝缘外壳。虽然塑料是良好的绝缘体,但科学家发现,如果在塑料内掺杂某些物质,或者设计具有特殊分子结构的塑料,就可以改变塑料的物理化学特性,使其具有良好的导电性能。

那么塑料又为什么会导电呢?科学家认为,塑料是高分子聚合物,分子中有很多个碳原子、氢原子,“手拉手”地连接成长链。碳原子有相互“拉”着一个或几个电子的能力。“拉”几个电子的碳原子,控制电子的能力相对较弱,使塑料具有成为半导体的潜质。如果对塑料进行掺杂,那么碳原子又会很容易地被掺杂物夺走电子,而留下空位。这好比挤满汽车的停车场,一旦有一辆车从出口离开车场,另一辆车就能进入一样。当外界施加一定的电压后,聚合物分子中空位附近的电子就会进入空位,并造成新空位,这样交替持续就造成电流,使塑料成为导体。

塑料导电后的新奇世界是什么样的?

不要小看了导电塑料,这可是诺贝尔奖级别的科学发现,而且其背后还有一个有趣的故事。1967年9月,日本东京大学的化学家白川英树正在研究一门前沿科学——让塑料导电。在实验室里,白川英树指导一位韩国研究生研究乙炔的聚合反应。由于实验并不难,该研究生也跟随自己学习了一段时间,因此白川英树放心地让学生独立完成操作。但实验似乎失败了,韩国研究生得到了一层亮闪闪、银色的薄膜状物质,这与白川英树预想得到的粉末状乙炔聚合物截然不同。原来,韩国研究生的日语不太好,做实验之前没有听清楚白川英树的嘱咐,将掺入的催化剂的浓度提升了1000倍。虽然实验出错,白川英树还是决定测试一下实验产物的导电性能,结果发现,乙炔聚合物薄膜的导电性出奇的良好。

这次误打误撞的实验,让白川英树很受鼓舞,他觉得自己的研究方向选对了。经过10年的继续努力,1977年,白川英树正式发表了制备高导电性膜状乙炔聚合物的方法,通过向乙炔聚合物薄膜中掺杂1%的碘,可使薄膜的导电性能提升到金属的程度。白川英树的这个科学发现改变了“塑料不能导电”的观念,也使他获得了2000年诺贝尔化学奖。

塑料RFID标签

如今,导电塑料的研究发展迅猛,多项技术进入了应用阶段。最简单也最实用的技术要数“塑料RFID标签”了。

“RFID”是无线射频识别技术的简称,这种技术可以让检测器与标签之间进行非接触式的数据通信,从而达到识别目标的目的。无线射频识别技术的应用非常广泛,最典型的就是超市管理。如果在超市出口处安置检测器,在商品处贴上RFID标签,那么当顾客在超市购物结束后,就无需去排队等待收银员,顾客可以直接推着满满一车商品走过检测器,仅仅数秒,商品的总额就显示出来了。

塑料导电后的新奇世界是什么样的?

无线射频识别技术的便利之处显而易见,但标签的成本问题却可能成为制约这一技术普及的瓶颈。目前,RFID标签多由半导体材料硅晶体制作,其成本高达每枚数元,这一价格对于汽车、家电等贵重商品来说无关紧要,可是对超市中众多的低价商品来说就变得难以承受了。所以,科学家已经想到用廉价的导电塑料薄膜来替代传统的硅晶体材料,比如一种叫做“并五苯”的有机材料。并五苯的分子结构包含了五个苯环,这五个苯环沿着一条直线整齐地并列着。科学家发现,这样的分子结构使并五苯在高纯态时成为良好的半导体,其导电性能与硅晶体接近。利用成熟的化学气相沉积法,可以海量生产出性能优良的并五苯薄膜,用它制作RFID标签,成本可以降到每枚数分。

不过,并五苯RFID标签的信息存储量以及化学稳定性还不能与硅晶体相比,还需要进一步优化。如果解决了这些缺点,塑料RFID标签将会迅速占领市场,那时,可以方便结算的大型无人超市才会迎来春天。

柔性显示和“油漆电池”

你可曾想过拥有一台像胶卷一样可以卷曲的平板电脑,或者玩智能手机时,可以像读报纸那样将它随意翻折?科学家相信,有机薄膜晶体管技术可以做出这样美妙的显示器件。

有机薄膜晶体管又叫做塑料晶体管,它与传统的MOS晶体管(即金属-氧化物-半导体晶体管)的不同在于塑料晶体管使用的全部都是有机半导体材料,它所做成的显示器有着非常好的柔韧性。科学家已经找到了许多可以用于塑料晶体管的有机半导体材料,比如,碳60结构的富勒烯、碳70和一些羧酸类化合物常常用作N型半导体材料(依靠电子导电);P型半导体材料(依靠空位导电)则更加丰富,包括各种各样的聚合物和金属配合物(可以理解为掺杂了金属的有机化合物),前面提到的并五苯也在其中。

塑料导电后的新奇世界是什么样的?

日本索尼、东芝等公司研制的“电子纸”便是导电塑料用于柔性显示的代表作。索尼新近推出的电子纸DPT-CP1,尺寸有A5纸张大小,厚5.9毫米,重240克,既可以作为娱乐用的显示屏,又可以像普通纸张一样舒适地书写和阅读,功能强大,超薄轻便,售价在数千元左右。

除了用作柔性显示,有机半导体材料也可以制作太阳能电池。我们可以在卫星和宇宙飞船上看到巨大的太阳能电池板,但生活中遇到的太阳能电池却往往局限于计算器、手表等小型电子设备,原因就在于传统的硅太阳能电池成本太高,制造复杂。相比之下,塑料薄膜制作的太阳能电池将在生活中拥有更加广阔的前景。许多高分子聚合物电池成本低廉、制造容易、重量轻、易弯曲,甚至能够“印制”在多种材质表面。

塑料导电后的新奇世界是什么样的?

比如,科学家使用一种叫做聚-3已基噻吩(简称P3HT)的有机材料,做成几百纳米厚的塑料薄板,在薄板的两侧插上硒化镉纳米棒作为电极,就做成了一块三明治结构的塑料太阳能电池。当阳光照射这种电池时,可以把6%的太阳能转化为电能。转化效率也许听起来还不很让人满意,但这种塑料电池非常薄,可以像油漆一样“刷”在每栋建筑物外面,那么产生的能源就相当可观了。再理想一些,如果这种导电塑料能像普通涂料一样色彩丰富,我们还可以把太阳能电池穿在身上,那样随身携带的电子设备的供电问题也许将得到解决。

机器人仿真和电子医疗

导电塑料还有更加奇特的应用,比如用在机器人领域。东京大学的科学家染谷隆夫将并五苯有机薄膜晶体管阵列植入感压橡胶下,使它摇身一变,成了对压力敏感的机器人的“皮肤”。

在实验中,科学家首先制作了100平方厘米的一个塑料薄膜底板,其上有大约1000个由有机薄膜晶体管组成的“阵列”,“阵列”的周围安装了解码器,可以读取“阵列”的电阻值,科学家再在这些“阵列”上方涂上一层可以感受压力的感压橡胶,就做成了一块有1000个“痛点”的人造皮肤。当人造皮肤的某部位受到压力时,感压橡胶会发生形变,降低它所覆盖的“阵列”的电阻值,然后解码器会将该处“阵列”受压的信息反馈给计算机,这就会让机器人感受到触觉。

让科学家兴奋的是,导电塑料不仅可以用来制造皮肤,还可以制造“肌肉”。使用聚丙烯酸酯橡胶,科学家可以合成出一种叫做“电活性聚合物”的导电塑料,当这种塑料通电时,就会膨胀或者收缩,产生机械力。使用“电活性聚合物”,科学家可以使机器人做出更加灵活的动作,这将是提升机器人能力的一个突破口。

塑料导电后的新奇世界是什么样的?

医疗领域也是导电塑料可以大显身手的地方。美国科学家使用一种名为聚维尼烯酰胺的导电塑料材料,研发了可监测心脏的“电子纹身”。这种“电子纹身”其实就是超薄的可拉伸的传感器,由手机供电,只有28微米厚,能够紧紧地贴合佩戴者的胸部。实验中,科学家将“电子纹身”贴在佩戴者的心脏表面,当佩戴者的心脏跳动导致胸腔震动时,传感器可以生成佩戴者的心电图,传到手机上。目前,科学家正致力于改进这种“电子纹身”的数据收集和存储能力,以及如何进行无线数据传输。考虑到很多导电塑料是对人体无害的,科学家还打算研制可以植入人体的人造耳蜗以及人造神经细胞,用来治疗听力丧失、癫痫和帕金森氏症等神经疾病。

相信,在未来,导电塑料将会在更多的科技领域找到用武之地。

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