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第23章 导电塑料

“导电塑料”,一个陌生的名词突然出现在新闻中,发现并开发出了导电塑料的科学家获得了2000年诺贝尔化学奖。

发现导电塑料已是25年前的事了。

1975年,美国科学家马克迪阿密到东京理工学院去参观,看到一块闪闪发光的薄膜,看上去又像塑料,又像金属,心中好不惊奇,怎么从未见过这种东西,脱口就问:“这是什么?”

“一个废品。”日本化学家白川英树说起了它的来历。“有个朝鲜学者在我这儿做实验,我叫他做出一块塑料来,他没有完全听懂我的话,把催化剂的质量弄错了,加大上千倍,本来应该得到黑色的粉末,如今成了银色的薄膜。这东西,陈列在这里已经5年了,我常常用它来说明,做实验,要尊重导师的话。”

马克迪阿密听了以后在想,这些薄膜,银光闪闪,会不会具有金属的特点,能不能导电呢?他立即决定邀请白川英树到美国去共同研究。

白川英树到了美国费城的宾夕法尼亚州立大学,和马克迪阿密一起,克服重重困难,不断地改变配方。有一次加入少量的碘以后,这种塑料的导电性能出现了巨大的变化,导电塑料被发现了!

当年的白川英树等人并没想到,他们的发现会在20世纪的最后一年获得诺贝尔奖,更没想到21世纪的导电塑料将在材料领域起主导作用。有了导电塑料,也许会出现装在手表里的电子计算机。

在塑料的历史上,有好几个重要的“没想到”。大家都知道,大自然原本没有塑料这种物质,发明第一种塑料的海厄特也没有想到过“塑料”,促使他发明的动机是为了克服象牙台球的危机。19世纪的美国,大亨们玩的台球竟是用象牙制成的,眼看着象牙的来源一天天困难,有人出1万美元来征求象牙的代用品,印刷工人海厄特用硝酸纤维素加樟脑的办法,于1869年发明了赛璐珞。

赛璐珞曾经被用来制造照相底板和电影胶片,当年的海厄特并没想到,他的发明多么重要,这一发明打开了发明一系列塑料的通道。进入20世纪以后,美国的贝克兰德发明酚醛树脂,在其中加入材料,制成塑料。他应用的原料是当时视作废物的煤焦油和炭烟。这是第一种用合成方法制成塑料。

科学的发展,离不开理论的指导。20世纪20年代,德国化学家施陶丁格认为,塑料是高分子聚合物,一个高分子可能包含几万、几十万个原子,它的内部结构不是小分子不规则的密集,而是一系列小的单元连接在一起,就像一些念珠串在一根绳子上一样。

于是,就出现了聚乙烯这样的塑料。聚乙烯这个名词,就说明了它是由许多个乙烯分子聚合而成,是一种聚合物。乙烯分子只含1个碳原子,2个氢原子。但是在高温高压下,小分子之间相互连接,形成一个长链,成为聚乙烯。聚乙烯不再是气体,而是今天最常见的塑料,包括装食品的塑料袋,生产蔬菜的塑料大棚,装油的塑料桶。

当年的施陶丁格没想到,一个高分子理论引出来的聚乙烯会有如此广泛的用途,也没有想到高分子聚合物种类会那么繁多,除了性能各异的塑料,还有人造橡胶和化学纤维。今天的人造橡胶数量上已超过了天然橡胶,化学纤维已经完全可以和天然棉花、蚕丝相媲美。

话再回到导电塑料上来,导电塑料首先是塑料,它有可塑性,可以拉伸,有弹性,可以“塑造”成不同形状。但是,它又不是复合材料,不是在材料里加点半导体或导线等,而是一个个分子聚合而成的聚合物。所以科学家喜欢使用“导电聚合物”这个词,很少说导电塑料。

塑料是不导电的,叫绝缘体。世界上的物体,就导电性能来说可分为4种状态:绝缘体、导体、半导体、超导体。绝缘体不会变成半导体,更不会变成导体,而超导聚合物却从绝缘体跨过半导体,变成了导体,巨大的变化使它具有许多优越性。

白川英树在研究导电聚合物的时候,还有位合作者美国物理学家黑格,当白川英树和马克迪阿密看看那块闪闪发亮的薄膜时,黑格叫他的学生测量薄膜的导电性,嘿,导电能力增加1000万倍。这样,导电塑料在1977年的一次国际会议上亮相时,白川英树把一个小灯泡连接在一张薄膜上,电灯马上被点亮了。

导电塑料是在叫做聚乙炔的塑料中添加了碘这个杂质以后,才从绝缘体变为导体的。聚乙炔是由碳原子和氢原子组成的,碳原子有4个电子,分别与原子以较长的单键和较长的双链结合,电子处于相对固定状态,聚乙炔是不导电的。加入杂质碘以后,电子就会被杂质所吸引,离开原来位置,出现空洞。于是,电子为了弥补空洞,就先后流动起来,产生了电流。

有的科学家说,杂质不会改变塑料的结构,但使电子处于兴奋状态,从而形成电流。在体育比赛中,运动员服用药物来提高成绩的行为叫作服用兴奋剂。在塑料中添加杂质使它具有导电性的做法,也可以叫“服用兴奋剂”。

真有意思,掺杂质改变了塑料的导电性,于是很自然地出现了3个等式。不掺杂某种杂质,导电性能为绝缘体,等同玻璃;掺某种杂质,导电性能为半导体,等同于硅;掺另一种杂质,导电性能为导体,等同于铜。

导电塑料的知识说到这里,好像该说的都说了,还要说的话,那就是3个字:“等着瞧。”回想50年前,塑料初步引起重视,即使善于想像的人也想不到塑料会具有如此广泛的用途。今天的导电塑料也是刚刚起步,发展前景中也包含着许多“想不到”的事。这里举几个例子,供大家去发挥自己的想像力。

导电塑料的导电性是可以改变的,看起来是绝缘体,一会就变成半导体,也可以变为导体,涂在飞机和导弹上可以吸收电磁波,飞机和导弹就有了隐身术。

导电塑料能导电,DNA也能导电,这就为导电塑料创造了大显身手的舞台,有一天,导电塑料有可能用来制造人造肌肉和人造神经。这对神经麻痹的病人来说是个福音,可能塑料神经能去取换小腿上那根麻痹的神经。

导电塑料仍然保持塑料的特点,可以拉伸成很细的丝,在微电子领域显示本领。预计,未来机器人,无论“体型”大的机器人还是小个的微型机器人,内部的线路将完全使用导电塑料。电子计算机可能做得更小,小到装到手表里去,随身带的电脑将不是笔记本,而是手表了。