随着对传导聚合物研究的深入,人们已将它广泛应用于药物输送、保暖窗及光计算机等领域。
几年前,在纽约的一次记者招待会上,费城宾夕法尼亚大学无机化学家A. GL麦克狄米德(Alom G. MacDiamid)用两根金黄色塑料带连接灯泡,灯泡居然亮了。他声称:“不超过十年,用这种传导聚合物做成的塑料电池将会有许多用途。例如:作钟表动力源;代替飞机中的铜线;取代普通电池,甚至能用这种电池驱动电车。”
对传导聚合物的重复充电性研究了2年后发现,这种革电池业材料命的传导聚合物是不稳定的、不能被加工成有用的形式。美国通用电话电子公司(GET)研究传导聚合物的苏坎特 · 特里帕蒂(Sukant Tripathy)也预言:“长期应用,也许是不可能的。”
然而不到十年的今天,传导聚合物的稳定性问题和加T性问题都已基本解决。而且,传导聚合物已经进入市场,日本、欧洲已开始出售用它作电极的电池。
出乎麦克狄米德的预料、传导聚合物近期最显著的用途却和电池无关。至于塑料电池汽车,那是遥远将来的事。丰田公司还只在试验用传导聚合物作反射热量的挡风玻璃涂层。美国国防部估计,传导聚合物可用作阻挠窃听器电信号传播的电磁保护蔽。新泽西莫斯城联合信号研究技术公司,已经研制出一种用传导聚合物做成的温度传感器。传导聚合物还可做成手术室医生和护士穿的抗静电衣服。
“我确实对第一个这样的电池感到惊讶和激动,”麦克狄米德承认,“现在已经不稀奇了,随着过去几年的发展,今天已涌现了许多新材料。传导聚合物在我们尚未预见的新领域有着光明的前途。”
确实如此。研究人员正在考虑一种能在几星期或几个月内输送一定剂量的药物直接进入皮肤的设想。明尼阿波利斯明尼苏达大学的L · L · 米勒(Larry L. Miller)解释说,根据传导聚合物的制备方法,可以设计出一种传导聚合物,当电流通过时,释放出离子。然而,这种释放出的离子,在一般情况下,是很小的,但米勒认为,应该可以设计出释放大离子的传导聚合物,如带正电的多巴胺(dopamine)离子,
如果,当药物尚未穿过皮肤到达血管就释放出来,那是没有疗效的。任何带电分子,其本身是不可能穿过皮肤的。离子电渗疗法是根据其电化学作用,使药物离子穿过皮肤后再释放出来,它需要连接皮肤的两个电极和一个小电流。米勒认为:“我们可以将传导聚合物看作电池的一个电极,当需要的时候,接通两极间电流,便会使药物穿过皮肤进入血管释放出来。”
传导聚合物的更大用途是作抗静电剂和电磁屏蔽。含碳和金属的传导聚合物已经拥有10亿美元的市场,预计今后10年将以每年25%的速度增加。
外科手术宰,医生和护士需穿抗静电衣服以消除能引起电感应监测器失灵,甚至在心脏手术中击伤病人心脏的静电释放。在计算机工业领域,防静电衣服能减少由于静电释放而烧坏芯片及线路板的几率。传导聚合物也用作计算机房的椅子坐垫以消除有损于计算机的静电积累。
静电积累可通过频繁接触地毯释放电荷来消除。涂有传导聚合物的纤维有可能被设计成连续自动地做这一动作,故市场需要量很大。这也是南卡罗来纳的一家大纺织公司一一米利肯有限公司化学家汉斯 · 库恩(Hans Kuhn)所希望的,他已经研制出含大量稳定传导聚合物的尼龙和聚酯。其它一些化学家,如阿默斯特麻萨诸塞大学的弗兰克 · 卡拉兹(Frank Karasz)发明了一种由单一传导聚合物制成的纤维。这种纤维可纺成织物或和普通纤维混纺。
传导聚合物的另—个主要用途是能防止大面积静电释放(光栓)。当光照射金属飞行器时,电荷会分散到整个金属表面而释放到空间;而当光照射非金属飞行器时,电荷就释放不出来,如不加以保护的话,就可能使飞行器表皮燃烧,甚至烧毁。
为避免这种现象,制造商们在材料中加入一些传导碳纤维或金属薄片,但这样,不仅增加了飞行器的重量,而且还降低其机械强度。这就是为什么洛克赫特有限公司要化大气力去研制用来制造飞行器架的传导聚合物的原因,
美国国防部正在试验用传导乳液涂覆计算机内壁,甚至整幢房子,使电磁辐射不泄漏到外部。驻莫斯科的美国大使馆也许能通过对整幢建筑物涂聚吡咯乳液来阻止窃听器无线电信号的传播。
洛斯阿拉莫斯国家实验室化学家马特 · 奥尔狄瑟(Matt Aldissi)认为这种设想完全可能。他已经提出一种能喷到各种表面的传导乳液的制造方法。他将聚合物和聚合表面活性剂在水中混合,来制备传导乳液。当聚合物扩链时,和表面活性剂键连;然后分层,除去水层,剩下的聚合物层是球型乳液粒子(能用来制备传导薄膜)。
传导聚合物不仅能导电,而且还具有奇特的光学特性,正被考虑用作制备保暖窗。根据需要,能让热量散发出来或者让热量留在其中。
联合信号公司已经制备出在非传导状态呈蓝色,在传导状态呈透明(能吸收红外线)的聚合物,能用作阻碍热量传播的玻璃窗涂料。它能根据所加电压的不同,从传导状态变到非传导状态,或向相反方面转变。热天,能避免太阳热能辐射到建筑物内部;冷天,能用作保暖窗。据报道,丰田公司已考虑将这种涂料用在汽车上,涂层窗还能嵌入光控电路。日光下,该电路使聚合物透明(透红外),热量辐射进建筑物内;太阳落下或阴天,该电路使聚合物呈蓝色(不透红外),热就保留在建筑物内部。
该公司最近还在试验一种长期稳定的材料,项目领导L. W · 沙克儿特(Lawrene W. Shacklette)解释说:“我们正在考虑将其用于建筑,所以,20年的稳定期是必需的。”
传导聚合物的奇特光学特性还在刚刚兴起的光计算机领域得到应用,其作用相当于电计算机中的芯片,但它用单色光工作,其速度是电计算机的1000倍。
传导聚合物的这种特性是基于其本身的非线性特征。即同一化学结构不仅能使聚合物导电,而且能干扰光在聚合物中的传播,迫使光速随光强度而变化。
联合信号公司对一些材料的非线性性能进行了测试,结果是:普通材料(如玻璃),无;玻璃窗涂层,相当弱;某种传导聚合物,相当强。这就引起了光计算机研究者对传导聚合物的浓厚兴趣。
例如新泽西利文斯通贝尔中心贝尔开发公司研究工程联合部,正在试验用传导聚合物作光学开关(其作用和晶体管相同)。他们用聚丁二炔制成一种周期为微微秒的脉冲开关。由于这种聚合物本身具有很高的光学非线性,做成的开关只需用便宜、低强度的染色激光驱动;而其它光学开关,到目前为止,还是要用强光驱动的。
遗憾的是,聚丁二炔像其它已知的非线性聚合物一样,作为实际装置还是差了些。因为通过它的光会发生畸变。贝尔中心的一个小组正在寻找一种传导聚合物,不仅具有高的非线性,而且还有好的透明度。
所有这些应用都只需低的传导率(这种状态容易获得),然而,高传导率聚合物在将来也会得到应用。奥尔狄瑟和他的同事用具有高传导率且能溶于水的聚噻吩同系物,在这方面做出了实质性的进展。
这种聚噻吩是由不带电的骨架和一个长的带电侧链组成的盐。奥尔狄瑟发现,这种聚合物以液晶形式存在;溶于水则混浊;在磁场中能定向排列;只在一个方向具有导电性,其导电率比铜小,他还用同样的方法对其它几种聚合物进行试验,用电子显微镜观察产生的聚合物纤维,主要以相互平行的方式排列,但一些小的原纤维无方向性。所以,他认为,“是能够达到较高传导率的。”
明尼苏达大学D. F伊万斯(D. Fennell Evans)和他的合作者提出了另一种制造高传导率聚合物的方法。他们发现,大量聚吡咯晶体具有很好的导电率。
随着对传导聚合物研究的深入,必将揭开自然界的又一奥秘。通用电话电子公司的塞德曼指出:“面临这种材料的新挑战,是根据它的奇特性能,去寻找它的特殊地位,去发现它的独特用途。”
(Science,1989年10月)