『失败』实验与导电塑料
在科幻小说或电影中，我们经常会看到那些能力非凡的“机器人杀手”。这些机器人不仅有着敏捷的身手、精密的思维，并且有着和我们普通人完全相同的外观，令人防不胜防。然而，这种机器人只是存在于小说和影视作品中。就当下而言，抛开思维和智慧的指标，单从外貌上讲，我们所能制造的最先进的机器人仍然是“金属零件的组合”，直观上看它们还是“机器”而非“人”。那什么时候我们才能造出具有“皮肉之躯”的机器人呢？可以说，导电塑料时代的开启，令这一问题的解决指日可待。
早在2004年，日本东京大学生产技术研究所的科学家们便利用导电塑料底板、有机晶体管和橡胶薄层成功制得了一块对压力敏感的人工皮肤。这种皮肤能够将外界压力信号转化为电信号，很适合做机器人的皮肤。这对于机器人制造技术绝对是一项重大突破。更引人注目的是，导电塑料不仅能赋予机器人“皮肤”，还可以制造出一种人工肌肉。这种肌肉可以通过电化学方法进行控制，使之膨胀和收缩。利用这种技术工艺，科学家能制造出非常类似人类四肢的机器人肢体。由此可以预见，我们发明出具有“皮肉之躯”的机器人已为时不远。
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的确，导电塑料的发现，大大开拓了材料科学的研究范围。其实不仅仅在机器人制造领域，它在电磁、能源、超导、纳米等诸多领域也发挥着越来越大的作用。然而，我们却很难想象，这一伟大发现，却是源于一次失败的实验。
传奇只在无意间
发现导电塑料的是日本人白川英树。白川少年时便对塑料产生了浓厚的兴趣，并于1955年考取了东京工业大学高分子化学系。1966年，白川博士毕业后便留在母校资源研究所工作。
那个传奇般的实验发生在1967 年，白川英树的一个学生在做聚乙炔合成实验时无意间添加了1000倍用量的催化剂，导致了一次严重的失误。聚乙炔是一种高分子聚合物，也就是塑料的一种。然而白川吃惊的发现，这次实验反应容器的内部竟然生成了一种漂亮的银色薄膜，性状明显区别于普通的聚乙炔。这种薄膜看上去类似金属，但用手触碰的感觉又好似高分子有机物。白川对这种薄膜进行了吸收光谱分析，发现它可以吸收红外光，并且当膜的厚度更薄时，也能吸收紫外光和可见光，除了这些结论，白川对这种“三不像薄膜”一无所知。但这次实验的结果却深深地刻印在白川的脑海中。
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1975年，访问日本的美国化学家麦克迪亚米德在一家咖啡店邂逅白川英树，两大化学家无意间的碰撞续写着这段传奇。当时这两位同行很自然地谈起了各自的研究工作。当白川说起自己曾发现过一种金属样的高分子材料时，说者无意，听者有心，对塑料导电性已研究多年的麦克迪亚米德立刻感觉到胜利女神正向自己走来。因为这种金属样的高分子有机物正是他梦寐以求而不可得的东西，于是，他决定与白川合作研究。麦克迪亚米德回国后，把白川的工作告诉了自己的老搭档黑格，黑格激动地说道：“这正是我们所期望的。”
半年后，白川赴美国宾夕法尼亚大学开始了三人的合作研究。在那里，他们立刻着手进行改变聚合物导电性的研究。他们尝试各种实验，反复测试实验结果，终于在无数次失败后迎来了曙光。有一次，他们用碘蒸气氧化这种薄膜，他们知道这样做会改善薄膜的光学性质。但他们同时却发现，这种薄膜的导电能力竟然提高了 1000 万倍。1977年，三人联名发表论文，公开了这一伟大发现。同年，白川在纽约科学院国际学术会议上，向人们展示了塑料能导电的实验事实。从此，一个崭新的领域生机勃勃的发展起来，导电塑料渐渐步入了人们的视野。
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揭开导电塑料的奥秘
在人们的印象中，塑料是不导电的，在普通的电缆中塑料常被用做导电铜丝外面的绝缘层。而白川英树等三人的成果，却向人们习以为常的“观念”提出了挑战。
导电塑料为什么能导电？我们要从导电的原理来讨论。材料导电需要两方面的因素，首先材料内部要有自由电子，其次这些自由电子可以形成定向移动。在金属中，金属原子的原子核对核外电子的束缚力较弱，因此金属内部存在大量的自由移动电子，这些自由电子能够很容易地在电场作用下定向移动，形成电流，从而导电。在半导体中，如硅和锗，由于原子核对核外电子束缚力较强，电子本来是相对稳定地呆在自己的空穴上，但向硅或锗中掺入少量杂原子后，规整结构被破坏，材料内部会出现多余的电子或多余的空穴。在电场作用下，多余的电子则会占据临近的空穴，同时挤掉临近空穴中的电子；同理多余的空穴则会吸引临近的电子，同时会在临近形成新的空穴。以此类推，这种连锁效应使硅或锗能够导电。其实导电塑料的导电原理，类似于半导体。白川等三人实验中的碘蒸气，便起到了掺杂的作用。当然，并不是任何塑料经过掺杂都能导电，因为高分子聚合物都是由极其稳定的碳原子骨架构成，普通的碳骨架都是每个碳原子在自己两侧各贡献一个电子后结合而成的碳碳之间的连接。而在白川所得到的那种薄膜状的聚乙炔中，每个碳原子在一侧贡献出一个电子，而在另一侧则贡献出两个电子，这种碳原子之间由双重结合和单一结合交替构成的碳骨架，具有电子容易流动的性质，导电的聚乙炔塑料便这样形成了。
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导电塑料时代的开启
导电塑料的发现具有巨大的意义。塑料相对于金属，其最大的优势便是它的可塑性，也就是可以轻易地把它加工成我们所需要的大小与形状。上世纪八十年代，导电塑料还只是实验室的珍品，但时至今日，导电塑料早已被生产应用。美国和日本合作，用一种叫聚苯胺的导电塑料做电池的一个电极，另一个电极是锂，生产出只有硬币大的可重复充电的电池；德国一家公司用导电塑料生产出一种仅明信片大小的薄型挠性电池，很适用于作手提式工具的电源。
导电塑料的用途还有很多，如可以用于制造抗静电地毯、可折叠的电视机屏幕、穿在身上的计算机、发光墙纸、发光交通标志、发光衣料和装饰品以及把阳光挡在户外的智能窗帘等；还可用来生产吸收辐射线的屏蔽材料，以保护航空航天飞机上的电气元件免遭雷击和电磁干扰。科学家们已发明了一种含极细微的导电聚合物颗粒的薄膜, 它既能屏蔽射线, 又能防止腐蚀, 将这种导电塑料膜涂在飞机或其他装备表面时, 就能起到屏蔽射线和防止腐蚀的双重作用。相信随着我们对导电塑料认识的不断加深，这一领域一定能够开拓得更加广泛。而作为导电塑料奠基人的白川英树等三位科学家，也于2000年获得诺贝尔化学奖，他们获得至高的科学荣誉绝对是实至名归。
【责任编辑】张小萌, 百拇医药(辰逸)
早在2004年，日本东京大学生产技术研究所的科学家们便利用导电塑料底板、有机晶体管和橡胶薄层成功制得了一块对压力敏感的人工皮肤。这种皮肤能够将外界压力信号转化为电信号，很适合做机器人的皮肤。这对于机器人制造技术绝对是一项重大突破。更引人注目的是，导电塑料不仅能赋予机器人“皮肤”，还可以制造出一种人工肌肉。这种肌肉可以通过电化学方法进行控制，使之膨胀和收缩。利用这种技术工艺，科学家能制造出非常类似人类四肢的机器人肢体。由此可以预见，我们发明出具有“皮肉之躯”的机器人已为时不远。
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的确，导电塑料的发现，大大开拓了材料科学的研究范围。其实不仅仅在机器人制造领域，它在电磁、能源、超导、纳米等诸多领域也发挥着越来越大的作用。然而，我们却很难想象，这一伟大发现，却是源于一次失败的实验。
传奇只在无意间
发现导电塑料的是日本人白川英树。白川少年时便对塑料产生了浓厚的兴趣，并于1955年考取了东京工业大学高分子化学系。1966年，白川博士毕业后便留在母校资源研究所工作。
那个传奇般的实验发生在1967 年，白川英树的一个学生在做聚乙炔合成实验时无意间添加了1000倍用量的催化剂，导致了一次严重的失误。聚乙炔是一种高分子聚合物，也就是塑料的一种。然而白川吃惊的发现，这次实验反应容器的内部竟然生成了一种漂亮的银色薄膜，性状明显区别于普通的聚乙炔。这种薄膜看上去类似金属，但用手触碰的感觉又好似高分子有机物。白川对这种薄膜进行了吸收光谱分析，发现它可以吸收红外光，并且当膜的厚度更薄时，也能吸收紫外光和可见光，除了这些结论，白川对这种“三不像薄膜”一无所知。但这次实验的结果却深深地刻印在白川的脑海中。
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1975年，访问日本的美国化学家麦克迪亚米德在一家咖啡店邂逅白川英树，两大化学家无意间的碰撞续写着这段传奇。当时这两位同行很自然地谈起了各自的研究工作。当白川说起自己曾发现过一种金属样的高分子材料时，说者无意，听者有心，对塑料导电性已研究多年的麦克迪亚米德立刻感觉到胜利女神正向自己走来。因为这种金属样的高分子有机物正是他梦寐以求而不可得的东西，于是，他决定与白川合作研究。麦克迪亚米德回国后，把白川的工作告诉了自己的老搭档黑格，黑格激动地说道：“这正是我们所期望的。”
半年后，白川赴美国宾夕法尼亚大学开始了三人的合作研究。在那里，他们立刻着手进行改变聚合物导电性的研究。他们尝试各种实验，反复测试实验结果，终于在无数次失败后迎来了曙光。有一次，他们用碘蒸气氧化这种薄膜，他们知道这样做会改善薄膜的光学性质。但他们同时却发现，这种薄膜的导电能力竟然提高了 1000 万倍。1977年，三人联名发表论文，公开了这一伟大发现。同年，白川在纽约科学院国际学术会议上，向人们展示了塑料能导电的实验事实。从此，一个崭新的领域生机勃勃的发展起来，导电塑料渐渐步入了人们的视野。
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揭开导电塑料的奥秘
在人们的印象中，塑料是不导电的，在普通的电缆中塑料常被用做导电铜丝外面的绝缘层。而白川英树等三人的成果，却向人们习以为常的“观念”提出了挑战。
导电塑料为什么能导电？我们要从导电的原理来讨论。材料导电需要两方面的因素，首先材料内部要有自由电子，其次这些自由电子可以形成定向移动。在金属中，金属原子的原子核对核外电子的束缚力较弱，因此金属内部存在大量的自由移动电子，这些自由电子能够很容易地在电场作用下定向移动，形成电流，从而导电。在半导体中，如硅和锗，由于原子核对核外电子束缚力较强，电子本来是相对稳定地呆在自己的空穴上，但向硅或锗中掺入少量杂原子后，规整结构被破坏，材料内部会出现多余的电子或多余的空穴。在电场作用下，多余的电子则会占据临近的空穴，同时挤掉临近空穴中的电子；同理多余的空穴则会吸引临近的电子，同时会在临近形成新的空穴。以此类推，这种连锁效应使硅或锗能够导电。其实导电塑料的导电原理，类似于半导体。白川等三人实验中的碘蒸气，便起到了掺杂的作用。当然，并不是任何塑料经过掺杂都能导电，因为高分子聚合物都是由极其稳定的碳原子骨架构成，普通的碳骨架都是每个碳原子在自己两侧各贡献一个电子后结合而成的碳碳之间的连接。而在白川所得到的那种薄膜状的聚乙炔中，每个碳原子在一侧贡献出一个电子，而在另一侧则贡献出两个电子，这种碳原子之间由双重结合和单一结合交替构成的碳骨架，具有电子容易流动的性质，导电的聚乙炔塑料便这样形成了。
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导电塑料时代的开启
导电塑料的发现具有巨大的意义。塑料相对于金属，其最大的优势便是它的可塑性，也就是可以轻易地把它加工成我们所需要的大小与形状。上世纪八十年代，导电塑料还只是实验室的珍品，但时至今日，导电塑料早已被生产应用。美国和日本合作，用一种叫聚苯胺的导电塑料做电池的一个电极，另一个电极是锂，生产出只有硬币大的可重复充电的电池；德国一家公司用导电塑料生产出一种仅明信片大小的薄型挠性电池，很适用于作手提式工具的电源。
导电塑料的用途还有很多，如可以用于制造抗静电地毯、可折叠的电视机屏幕、穿在身上的计算机、发光墙纸、发光交通标志、发光衣料和装饰品以及把阳光挡在户外的智能窗帘等；还可用来生产吸收辐射线的屏蔽材料，以保护航空航天飞机上的电气元件免遭雷击和电磁干扰。科学家们已发明了一种含极细微的导电聚合物颗粒的薄膜, 它既能屏蔽射线, 又能防止腐蚀, 将这种导电塑料膜涂在飞机或其他装备表面时, 就能起到屏蔽射线和防止腐蚀的双重作用。相信随着我们对导电塑料认识的不断加深，这一领域一定能够开拓得更加广泛。而作为导电塑料奠基人的白川英树等三位科学家，也于2000年获得诺贝尔化学奖，他们获得至高的科学荣誉绝对是实至名归。
【责任编辑】张小萌, 百拇医药(辰逸)