（上海同济大学材料科学与工程学院）

新型高分子材料的研究是化学科学与材料科学两大学科交叉渗透形成的前沿热点研究领域。芳香族聚合物材料由于具有特异的多功能如导电性、液晶性、电色性、生物传感性和分离性等，因而近年来受到越来越多的国内外研究者的关注，2000年诺贝尔化学奖授予了在导电高分子材料研究方面做出开创性研究的美国艾伦 · 马克迪尔米德、艾伦 · 黑格和日本白川英树三位高分子材料科学家就充分说明了这一点。

近年来，我们的导电高分子研究主要涉及到同时拥有独特电导性、奇异电致变色性、高效化工分离性、高生物敏感性的一大类新型多功能芳香族聚合物材料的分子设计、合成、结构表征、性能特征、材料组装、稳定性、应用领域的开拓等。其中最有魅力、最令人振奋的研究着重在电子信息传导与显示器材料科学、化工分离用膜材料工程、生物传感器材料工程这三个学科相互交叉渗透而形成的一个新型高分子材料科学前沿性领域。

这类新型高分子材料拥有的许多奇异的功能主要包括电导性随着高分子结构、酸碱环境、湿湿度、光电磁场的易变性，多种传导性（极化子、双极化子、质子和自由基），可变电活性，奇特电色性，对不同电活性物质的高透过选择性，其改性电极对极低浓度生物物质的高度敏感性，特有的电极行为，对电惰性物质的很好的探测能力，对氧和过氧化氢还原反应的有效电催化性，重金属离子的高效吸附能力，活性电子阻隔能力，对金属的坚强粘合力，高电容性，这些多功能性已经在世界范围内获得了广泛的研究并已经取得了某些重要的理论和应用进展。随着研究的深入，新的材料、新的功能一个接一个地被发现。研究者们已对这类新材料的广泛的多样用途寄托了厚望，可望在不久的将来开发出一大类新型多功能高分子材料。

电致变色膜

电致变色性是导电聚合物随着外加电位的变化而可逆改变颜色的一种奇异性质。日本材料科学家发现以电聚合法所制的0.8微米厚的聚邻苯二胺膜在循环伏安过程中显示从透明黄色到棕红色的可逆氧化还原性质，即在聚合物的还原态为黄色而在其氧化态为红色，且这种颜色变化显示极短的电响应时间，仅为4~5毫秒，重复氧化还原100万次膜仍然维持很好的稳定性，表明这种膜可以承受至少100万次的重复写擦的过程。

研究表明，电聚合法所制的沉积于金或铂电极上的聚萘二胺膜的颜色明显依赖于膜厚度和连续伏安扫描次数。有人指出金电极上的聚1，8-萘二胺膜呈现棕紫色，发现10次电位循环时呈现浅棕色，20次为黄色，30次为橙色，40次为紫色，50次为绿色。这种颜色改变的系列定性地指出，随着电位循环次数的增加聚合物链变长了。

聚邻苯二胺复合膜随着所处电位显示下面连续的颜色变化：-0.4伏时为无色、0伏时为红色、+0.4伏时为黄色。另一种由聚苯胺、聚邻苯二胺和聚对苯二甲酰对苯二胺三种芳香族聚合物组成的复合膜显示如下三色电色性：-0.4伏时是朱红色，+0.4伏是绿色，+1.2伏是紫色。由聚苯胺和聚对苯二甲酰对苯二胺两种芳香族聚合物组成的复合膜显示略为不同的三色电色性：-0.4伏时是黄色，+0.4伏时是绿色，+1.2伏是紫色，而且这些颜色的改变至少可以重复1000次，主要归因于聚对苯二甲酰对苯二胺赋予聚苯胺和聚邻苯二胺的电子稳定性。

日本科学家用电化学聚合法组装了一种特别有吸引力的普鲁士蓝和聚邻苯二胺组成的厚度为2.2微米的复合膜，指出引起颜色改变的氧化还原电位相互之间分离得很好（大于0.2伏），当聚邻苯二胺为氧化态时复合膜呈现蓝色，当其为有色态时复合膜呈现朱红色，当其为还原态时复合膜呈现无色。一旦改变膜电位，这种复合膜显示连续的颜色改变：-0.2伏时无色，+0.1伏时红色，+0.6伏时紫色或祖母绿色。颜色改变的开关时间短于600毫秒，稳定性也很好。在2000次颜色改变循环后复合膜仍然呈现明亮的色彩，即使10万次颜色改变后复合膜仍然保持60%的彩色。

依据上述变色原理已经用导电聚合物研制出了几种奇特的电致变色材料与装置，如电致变色窗户玻璃、抗眩光轿车后视镜、高性能显示器等。电致变色窗户玻璃的颜色可以按要求很容易地变成混浊的蓝色、紫色或透明的天蓝色。导电聚合物膜状显示器无眩光无辐射就像看书一样对人眼无任何伤害。与目前正在流行的液晶显示器相比，导电聚合物膜状显示器具有记忆功能、重量轻体积小、形状易于任意改变和超大面积化等特点，特别是它无视角限制，克服了液晶显示器的弱点。因此，它结合了传统的阴极射线管显示器和液晶显示器的优点。可以想象，这种性能优异的导电聚合物膜状显示器一旦工业化，将会引起电子显示工业界的一场革命。

传感器

利用导电聚合物与亲水性聚合物如聚乙烯醇共混膜的电导率随湿度发生线形改变的特性已经开发出了一类新颖的潮湿传感器，将广泛用于空调系统、自动烹调系统等。

由于通过芳香族胺的电聚合过程可以把氧化还原酶固定在电极上，并且这种修饰电极可以快速地、准确地、高灵敏度地探测酶反应产物过氧化氢，而对其他电活性干扰物质如抗坏血酸和尿酸等不敏感，因此这种导电高分子固定化酶电极有极大的希望作为高性能生物传感器，用于探测人类血浆中的葡萄糖和胆固醇含量，食物中的赖氨酸、乳酸盐、谷氨酸盐、肌苷、次黄嘌呤、半乳糖、多巴胺、抗坏血酸盐含量，动物脑中的——氧化氮含量，血清和尿液中等硫酸阿托品含量。由于含有大量自由氨基的聚1，8萘二胺对多种重多属离子如Ag⁺，Hg²⁺，Pb²⁺，Tl²⁺，Cd²⁺，Cu²⁺的高度络合能力以及络合后颜色的变化，这类导电高分子材料有希望用于高级重力传感器以及水质检测器。

借助于导电聚合物在氧化过程中伴随着阴离子的引人，可将聚邻苯二胺膜修饰电极用作为阴离子探测器。目前，已经成功而方便地用于溶液中的SO₄^2-，Cl^-，NO₃^-，F^-，CH₃COO^-，PO₄^3-等离子的探测。

透过选择性膜

透过选择性是指膜材料对某些物质择优透过而对其他物质完全排斥的性能。日本科学家研究发现，一种厚度为2.6微米的聚邻苯二胺改性电极仅对两种卤素离子碘和溴离子有电化学响应，对其他无机离子如Fe²⁺、Mn²⁺、Tl⁺无响应。土耳其科学家详细研究了电聚合法制备的聚邻苯二胺和聚间苯二胺膜的透过选择性，指出它们显示出较高的对多巴胺的透过选择性，基本避免了电活性抗坏血酸的透过，同时发现膜的厚度和电聚合溶液酸度是影响透过选择性的重要因素之一。

此外，导电聚合物还可望用于高灵敏电开关和热电开关、高容量电化学电容器、高效金属防腐涂层、可逆的微型电子印刷术、光电子装置中的核心材料等。

上述研究成果表明，高分子材料发展史上那辉煌灿烂的篇章即将又一次被世人翻开，我们期盼着这一天的到来。唯一遗憾的是，上述介绍的阶段性的研究成果大多数源于日本、美国等发达国家的科学家及学者。为促使中国在这一全世界范围内颇为热门、很有发展潜力，并可能使目前的电子信息与显示器材料、化工分离膜材料、生物传感器材料发生深刻变革的新型材料研究领域具有一定影响力，我们有责任在这一领域赶超发达国家水平，创出我国研究特色。