1980年代後期，由於手機與筆記型電腦等隨身電子設備的快速發展，高容量、小型且可重複充電的電池成為市場需求。1981年，吉野彰著手研究聚乙炔鋰離子電池，嘗試克服其體積大、不穩定等問題。無巧不巧，聚乙炔（polyacetylene, PA），此一具導電性的高分子導電聚合物（Conductive polymer），又稱導電塑膠或導電塑料，也是由日本科學家白川英樹（Shirakawa Hideki）所發現，並與麥克德爾米德（Alan MacDiarmid）和黑格（Alan Heeger）於2000年獲得諾貝爾化學獎的殊榮（圖一）。
今（2019）年，諾貝爾化學獎於上（10）月9日公布，新科得主為英國化學家惠廷厄姆（Stanley Whittingham）、美國固體物理學家古迪納夫（John B. Goodenough）和日本化學家吉野彰（Yoshino Akira）。三人以開發出高能量密度、無記憶效應和輸出功率大等多項優點的鋰離子電池（lithium-ion battery），並將其商業化而獲獎。此舉不僅改變往後電子設備中的供電基礎，更奠定3C產業的應用發展。
圖一：2000 諾貝爾化學獎得主，由左至右分別為白川英樹、麥克德爾米德和黑格。（© Nobel Media AB 2019）
顛覆邏輯——塑膠會導電？
過去，人們對於通過電流的材料或元素、也就是提供導電的良導體，直接的聯想大多為金屬等無機物，且認為有機物與導電無緣。然而，現今的材料科學不斷進步，科學家已能分離出具導電性質的塑膠，讓導電不再是金屬專屬特質，塑膠也不一定只能是絕緣體。
一般而言，冷冰的金屬製品雖然導電性高，但是與有機體不相容，甚至具排斥性；反之，有機體雖然不導電，但卻與生物相近，質地較輕又具可彎曲的特性。而導電塑膠，則是將本來無法導電的有機物塑膠，加入可導電的特性。
人類一直以來所使用的二分法得以被突破，也和科學界許多重大發現一樣，來自一場意外。1970年代，研究聚乙炔的白川英樹，在一次製備的過程中，不小心錯加濃度高達一千倍的催化劑，讓原本應該得到黑色粉末聚乙炔（順式聚乙炔），意外製作出銀白色的薄膜（反式聚乙炔，圖二）。1975年，麥克德爾米德來到日本，對於白川英樹所做的實驗深感興趣，遂邀請他至美國，與黑格一同進行聚乙炔的電導研究。爾後，他們發現摻雜碘蒸氣可以提高聚乙炔的電導率，並在經過一系列的實驗驗證後，找到導電聚合物和作用機轉。1997年，三人以Synthesis of electrically conducting organic polymers:Halogen derivatives of polyacetylene(CH)n為題，將結果發表在The Journal of Chemical Society, Chemical Communications期刊中。
圖二：反式聚乙炔結構。
塑膠如何導電？
物體要能導電，首先，電子必須要能夠自由移動，一般的金屬由於價帶與導帶相近，電子不被原子束縛，可到處移動；而絕緣體則價帶與導帶距離很遠，電子被原子綁住，因此需要很大或強的能量才能使電子掙脫，進而導電。而常見的有機物鍵結多屬共價鍵，以苯（benzene）中的碳（carbon, C）為例，碳原子有四個電子，因此會再從旁抓住四個電子形成穩定鍵結。在如此強鍵結且穩定的情況下，不具備可自由移動的電子（圖三）。因此，導電塑膠為了增加電子的流動，利用交替的單鍵–雙鍵共軛鍵結（conjugated bonding）這種特殊的結構，讓相互間的鍵結不再是穩定的單鍵、雙鍵或三鍵等共價結構，而是單鍵–雙鍵交錯。在三人的研究中，則進一步發現摻雜溴、碘或其他強氧化劑，能將電子搶走留下許多共價鍵空位，由於雙鍵缺少一電子，在相互爭奪下，進而造就電子的流動，使導電度增加100倍。
圖三：苯的共軛結構。
導電塑膠的應用
其實，在生活中處處可見導電塑膠產品，例如有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode, OLED）、有機太陽能電池和固態電容等。除此之外，由於其高導電、高穩定和可撓薄膜的特性，也能運用在防腐蝕塗料和抗靜電等產品。在商業考量上，這些導電高分子也能快速且便宜地生產，於是以此為基礎的電子零件、積體電路將很快地被商品化，更為導電塑膠一大優勢。
除了現今各種導電塑膠在科技領域的應用外，未來在生醫領域可能也會一波的革命與創新。由於有機體與生物相容性高，加上具有輕量和可撓等特性，將是作為電子設備或輔助器具等相關生物醫療器材最好的材料。例如近年來被廣泛研究的PEDOT（Poly-3,4-Ethylenedioxythiophene），此有機半導體高分子（organic semiconductive polymer）由於結構中有與苯相似且單鍵–雙鍵交錯的噻吩五角形，在具備共軛條件下，因此有著良好的導電特性。另外，在科技的進步之下，也經常能在報章雜誌或網路上看到各種生物機電結合的產品，例如皮膚感應器、仿生人工肌肉等。
導電塑膠與生活
恰巧今年也是「國際化學元素週期表年（International Year of Periodic Table of Chemical Elements）」，歐洲化學學會更發表了最新的扭曲元素週期表，揭示現今元素的含量，顏色越偏紅的元素，代表缺乏風險越高（圖四）。因此，在全世界各國相繼爭奪稀土元素的同時，將目光放在人們所熟悉且易取得的元素上，而碳元素或許就是一個可能。
圖四：歐洲化學學會在 2019 年公布的扭曲元素週期表，以各元素所占面積呈現含量，顏色越偏紅，代表元素缺乏風險程度越高。（European Chemical Society）
儘管近年來塑膠已成為環境議題中的主角之一，不過，若能正確使用，落實回收再利用的循環，它仍舊可以為人們的生活帶來便利和發展。所以，如何運用碳元素，讓有機化學充滿各種可能，將是科學家持續努力的目標。
延伸閱讀
1. Hideki Shirakawa et al., Synthesis of electrically conducting organic polymers: Halogen derivatives of
polyacetylene(CH)n, J. Chem. Soc., Chem. Commun., Vol. 16: 578-580, 1977.
2. 科普一傳十，https://reurl.cc/0zQ8Ll。