塑料具有一系列优良的性质：价廉、耐用、轻便与用途广泛，然而它们却与导电性无缘，下一代塑料将改变这一状况。

本文标题在20年前会被认为是极其荒唐的，因人们一直把塑料归类于非导电物质，如果说塑料的导电性将能与铜媲美，那么将更难使人置信。然而，最近几年通过对普通塑料不断的研究与改进，已使塑料具有了良好的导电性能。这些导电塑料称为导电聚合物，这种新材料综合了金属的导电性与塑料的各种优越性。

为使聚合物具有导电性，需将某些化学物质用一种称为搀杂（doping）的工艺渗入塑料中。搀加聚合物的工艺比搀杂传统的半导体，如硅要简单得多。导电聚合物是在1977年首次合成的。1981年首次出现了以聚合物作电极的电池。去年夏季，研制成功了导电性与铜相等的聚合物。几个月前第一种能重复充电的聚合物电池已开始投入市场。

以后的进展表明，人们能够生产出导电性甚至超过铜的聚合物，以及在室温下导电性超过其它任何材料的聚合物。在重量必须加以限制的场合，聚合物导线可取代铜导线。导电聚合物还具有吸引人的光学性能、机械和化学性能，加上它们的导电性，将使聚合物在众多新领域中比铜有更有效的使用价值。

导电塑料的发现是出于一次偶然事件。70年代初东京技术学院实验室一个研究生试图从普通乙炔焊气体中制造出一种称为聚乙炔的聚合物，这种聚合物（一种黑色粉末）在1955年曾首次合成，但没有人知道这种聚合物的进一步的情况。东京技术学院实验室研究生这次合成的不是黑色粉末样的聚乙炔，而是有银色光泽的薄膜，看起来像铝箔。此时该研究生方知他犯了一个错误，他加入的催化剂比规定的多了一千倍，他合成的是聚乙炔，但其形式与其它聚乙炔完全不同。

当我们1976年访问东京技术学院实验室时，他们正开始所谓合成金属的研究，而这种新型的聚乙炔正是研究的主要目标。后来的一年里，东京技术学院与美国明尼苏达大学共同探索这种新型聚合物，当他们后来用碘搀入这种材料时获得了重要成果。这种柔软的银色软片变成了金色的薄片，使这种聚乙炔的导电性随之提高了10亿倍。

从那时起人们才发现大约有十几种聚合物和聚合物的衍生物进行搀加时都会发生类似变化。这些聚合物基本上都包含碳原子和氢原子，这些碳原子和氢原子都排列成重复单体单元。一个重复单元中还有氮原子和硫原子。聚乙炔是一种最简单的导电聚合物，其结构是一种连续的碳原子链，在这一原子链中都有一个氢原子附着在一个碳原子上，碳原子的连结是单个和双个的交替连结，在单个和双个连结之间具有间隔，这种形式是导电塑料的典型特征。

尽管它们具有某些结构上的相似性，然而聚合物之间具有极为不同的特性，它们对热和空气的敏感性、它们的可溶性和可塑性，如同它们的导电性一样，大都因聚合物的类型和合成方法而有着巨大差异。综合所有这些特性，引起了人们最多关注的是聚噻吩（polythiophene）、聚吡咯（polypyrrole）和聚苯胺（polyaniline），然而，聚乙炔仍被认为是导电塑料的佼佼者，并受到了最深入的研究。聚乙炔也表现出了所有聚合物中最高的导电性能。去年，西德的B. A. S. F. 公司的研究人员声卷，通过搀杂一种极纯的聚乙炔，他们制成了一种在体积上导电性相当于铜的四分之一、在重量上导电性为铜的两倍的材料。达到这一性能的聚合物的分子机理是怎样的呢？

搀杂产生的精确的电子与物理变化仍是引起人们争议的课题，但人们已知道了某些最基本的原理。

导电性是以姆欧表示的，是电阻率欧姆的反量，绝缘体与导体之间导电作用的差异是巨大的。像聚四氟乙烯和聚苯乙烯这类良好绝缘的导电性为每厘米10⁸姆欧，而像铜和银这类良好导体的导电性接近每厘米10⁸姆欧。西德B. A. S. F. 公司制造的导电聚乙炔的导电性达每厘米147000姆欧。

电的流动是电子的运动，一种材料要导电，这种材料中的某些电子必须能够自由地运动。在具有广泛原子结构网络的固体中，电子是在离散的能带之间运动的，电子在每一个能带中都有特定的能。一个能带中也可能没有电子，电子必须具有某一能量以占据某一能带，要从一个能带跃入另一个能带，电子需要升高其能量。

电子的运动还需要一个部分充满的能带。空的能带不能带电，完全充满的能量也不能带电。导电就像接力赛跑，电流是在像跑道的能带中的电子传递，为传输电流，另一“接力者”必须在跑道中等候，因此能带中不能是空的，跑道上也不能占满接力者使跑者无法跑动，因此能带中也不能是占满的。

金属之所以导电就是因为电子是部分占据能带的，绝缘体和半导体的能带要不然是被电子完全占满的，要不然就是完全空的。被电子占满的能带称为价电子带（valence band），其上层的空能带称为导电带。在绝缘体中，这两种能带被一个能量间隙分隔开来。在半导体中，这种间隙较小些，只有吸收了热能或光能的电子能够穿越这一间隙。

普通聚合物具有绝缘体和半导体的电子结构，它们的价电子带和导电带被一个相当大的间隙隔开。搀杂工艺通过从价电子带取出电子（由于分子需要正电而称为P搀杂），或给导电带注入电子（由于分子需要负电而称为N - 搀加），这样，由于聚合物的价电子带和导电带都成了只是部分被电子占满的能带，因而成了导体。

在导电聚合物中这种外力产生的能带并不能出现于经搀加的半导体中，这里也许涉及到新型高温超导体的导电机理，导电聚乙炔为研究超导现象提供了极为良好的条件。

目前还没有一种理论能解释各种导电聚合物的导电性为什么有如此大的差异，然而，研究人员们已从经验上得知了几种对导电性有影响的因素。搀加百分率是最明显的决定因素，这一过程能被精确地控制，另一因素是材料中聚合物链的取向。链结构可引起各向异性，或不对称性，即，一个链结构在某个方向上的导电性比另一个方向好，例如：在搀加聚乙炔时，通过链轴线的导电性比通过分子的导电性好1000倍。

经搀加的聚合物薄膜的导电性可通过将链排列成平行而提高到最大。实际上，西德B. A. S. F. 公司制造的聚乙炔已部分实现了这种排列。在聚合物合成之后而在将其进行搀加以前，他们使聚乙炔薄膜伸展，以使其纤维定向。

纯度也是影响导电性的一个因素，杂质能在聚合物中形成阻碍电子通过聚合物链的缺陷，影响电子的运动。人们普遍将B. A. S. F. 公司制造的导电聚合物的良好导电性能归因于合成这种聚合物的先进工艺技术，这一工艺可生产出纯度极高的聚合物。

聚合物是通过化学或电化学工艺合成和进行搀加的，制造聚乙炔的标准工艺是化学方法，与东京技术学院的方法无甚大差异。其基本的工序是：在玻璃容器内侧涂上一层化学催化剂，以有利于聚合，然后将乙炔气体注入玻璃容器中，一种凝聚性的薄片便在容器中生长，五分钟内一层纸一样厚的未搀加的聚乙炔便附着在容器内侧。将容器冲洗之后，这层薄片便能从容器内剥离。然后，经过用碘溶液处理就成为P - 搀加的导电聚乙炔。用水银中的钠金属溶液处理就成了N - 搀加的导电聚乙炔。

如采用电化学技术，聚乙炔的合成与搀加是同时进行的。其基本工序是：两个金属电极浸在含有搀杂离子和将要构成聚合物的单分子体溶液中。在典型的P - 搀杂合成方法中，电路接上一个电压便去除了正电极旁边的单分子体中的电子，这促进了单分子体在电极表面的聚合。

聚乙炔如同其它聚合物一样，能在化学合成后将聚合物连接在正电极或负电极上而被P - 搀杂或N - 搀杂，这两种电极浸泡在含有搀加离子的溶液中。随着人们在结构、纯度和搀杂方法上的不断改进，聚合物的导电性能总有一天将不论在体积上或重量上都超过铜。

当然，导电性只是决定一种材料能否实用的一个标准，当导电聚合物首次合成时，人们曾认为它们的化学和物理性能将限制它们的技术应用。导电聚合物不能像普通聚合物那样倒进模子里。

然而，在过去两年，这一问题已得到解决，导电塑料的应用前景已大大增长。最引人注目的是用于重复充电电池中。80年代初明尼苏达大学推出了可以作为重复充电电池的电极的P - 搀杂聚乙炔和N - 搀杂聚乙炔。聚合物电池比铅 - 酸电池轻得多，因而可使电动汽车真正实用。聚合物电极比金属电极耐用得多，因为储存和输出电的离子是来自溶液而不是来自电极本身，这样，聚合物电极就避免了普通电池充电 - 放电循环中电极的分解和沉积造成的损耗。另外，聚合物电池不像镍 - 锡电池和铅 - 酸电池那样含有毒物质，因而不存在污染问题。

日本的两家公司已联合研制出了一种使用一个聚苯胺电极的硬币型重复充电电池，这种电池已于数月前投入市场，另一个电极是用锂金属制造的，这种电池的容量为同类重复充电的锂电池的3倍、镍 - 镉电池的2 ~ 3倍、铅 - 酸电池的一倍半。它们的贮藏寿命亦比镍 - 镉电池和铅 - 酸电池长得多。

聚合物电极取得的进展固然鼓舞人心，然而，导电聚合物的应用范围远远超出了电池的领域。阿利斯公司正在研究导电聚合物在传感设备中的应用。这种应用有好几种方式，例如，某些经搀杂的聚合物在变热时会分解，继而导电性能便会降低。将这种聚合物导线连接在欧姆表上，它们就能监测药物在装船运输过程中的环境温度，因许多药物贮藏在温度过高的环境会失效。

一些国家正在研究将聚噻吩和聚苯胺用于电子彩色显示设备，这两种材料在不同电压下会改变颜色，这方面的应用包括用作机场与火车站时刻表的显示，以及计算器、计算机、钟和其它一切使用液晶显示的设备。

导电塑料在电子彩色显示中改变颜色的特性也可用于普通玻璃中。极薄的聚合物薄片埋置在无色的固体电解质中夹在两层玻璃之间，在通电时就可使玻璃变色，变色的程度由电压的大小决定。而且，由于导电塑料能吸收阳光，它也引起了研究太阳能电池的专家的注意。到目前为止，将阳光转换为电能的效率还非常低。

导电塑料还能吸收电磁能，因而能被用来作为电磁防护屏，以防止计算机终端的辐射外漏。当前普遍采用金属或充碳塑料来完成这一任务，然而，搀杂聚合物的易加工性和高导电性比前者有特别的优越性。导电聚合物还有独特的光学性能，因而还可用于世人瞩目的光学计算机中。

人体也是导电聚合物有可能发挥功能的一种“设备”。由于导电聚合物是惰性的和稳定的，因而被考虑用作人造神经。另外，聚合物还可用作体内药物排放系统。将与药物搀杂的聚合物植入人体的病变部位，当聚合物在设计电压的控制下变成中性时药物便被排放出来。

80年代中期导电塑料的地位在许多方面类似于传统塑料在50年代时的地位。尽管当时世界各地的实验室都进行着塑料的合成与研究，然而只是在经过数年的探索后，它们才成了技术上有用的物质。与此相同，导电聚合物的化学与物理性能需要在各个应用领域经过研究与改进才能成为经济上成功的材料。除了导电塑料的实用价值外，它们还将促使世界各地在未来许多年中对其进行更多的基础研究，极有希望获得目前尚无法预见的成果。

[Scientific American第2期]