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2019-11-01意外,並非如此不盡人意─導電塑膠 599 期

Author 作者 李依庭/本刊主編。
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。

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)。

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,
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