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大科技杂志社|塑料导电后的新奇世界


塑料也导电
塑料是日常生活中随处可见的一种材料 ， 它们最常用的一种功能就是绝缘——无论城市中铺设的电缆网络 ， 还是家庭中使用的插座开关 ， 都使用塑料作为导线外面的绝缘外壳 。 虽然塑料是良好的绝缘体 ， 但科学家发现 ， 如果在塑料内掺杂某些物质 ， 或者设计具有特殊分子结构的塑料 ， 就可以改变塑料的物理化学特性 ， 使其具有良好的导电性能 。
那么塑料又为什么会导电呢？科学家认为 ， 塑料是高分子聚合物 ， 分子中有很多个碳原子、氢原子 ， “手拉手”地连接成长链 。 碳原子有相互“拉”着一个或几个电子的能力 。 “拉”几个电子的碳原子 ， 控制电子的能力相对较弱 ， 使塑料具有成为半导体的潜质 。 如果对塑料进行掺杂 ， 那么碳原子又会很容易地被掺杂物夺走电子 ， 而留下空位 。 这好比挤满汽车的停车场 ， 一旦有一辆车从出口离开车场 ， 另一辆车就能进入一样 。 当外界施加一定的电压后 ， 聚合物分子中空位附近的电子就会进入空位 ， 并造成新空位 ， 这样交替持续就造成电流 ， 使塑料成为导体 。
大科技杂志社|塑料导电后的新奇世界
本文插图
不要小看了导电塑料 ， 这可是诺贝尔奖级别的科学发现 ， 而且其背后还有一个有趣的故事 。 1967年9月 ， 日本东京大学的化学家白川英树正在研究一门前沿科学——让塑料导电 。 在实验室里 ， 白川英树指导一位韩国研究生研究乙炔的聚合反应 。 由于实验并不难 ， 该研究生也跟随自己学习了一段时间 ， 因此白川英树放心地让学生独立完成操作 。 但实验似乎失败了 ， 韩国研究生得到了一层亮闪闪、银色的薄膜状物质 ， 这与白川英树预想得到的粉末状乙炔聚合物截然不同 。 原来 ， 韩国研究生的日语不太好 ， 做实验之前没有听清楚白川英树的嘱咐 ， 将掺入的催化剂的浓度提升了1000倍 。 虽然实验出错 ， 白川英树还是决定测试一下实验产物的导电性能 ， 结果发现 ， 乙炔聚合物薄膜的导电性出奇的良好 。
这次误打误撞的实验 ， 让白川英树很受鼓舞 ， 他觉得自己的研究方向选对了 。 经过10年的继续努力 ， 1977年 ， 白川英树正式发表了制备高导电性膜状乙炔聚合物的方法 ， 通过向乙炔聚合物薄膜中掺杂1％的碘 ， 可使薄膜的导电性能提升到金属的程度 。 白川英树的这个科学发现改变了“塑料不能导电”的观念 ， 也使他获得了2000年诺贝尔化学奖 。
塑料RFID标签
如今 ， 导电塑料的研究发展迅猛 ， 多项技术进入了应用阶段 。 最简单也最实用的技术要数“塑料RFID标签”了 。
“RFID”是无线射频识别技术的简称 ， 这种技术可以让检测器与标签之间进行非接触式的数据通信 ， 从而达到识别目标的目的 。 无线射频识别技术的应用非常广泛 ， 最典型的就是超市管理 。 如果在超市出口处安置检测器 ， 在商品处贴上RFID标签 ， 那么当顾客在超市购物结束后 ， 就无需去排队等待收银员 ， 顾客可以直接推着满满一车商品走过检测器 ， 仅仅数秒 ， 商品的总额就显示出来了 。
大科技杂志社|塑料导电后的新奇世界
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无线射频识别技术的便利之处显而易见 ， 但标签的成本问题却可能成为制约这一技术普及的瓶颈 。 目前 ， RFID标签多由半导体材料硅晶体制作 ， 其成本高达每枚数元 ， 这一价格对于汽车、家电等贵重商品来说无关紧要 ， 可是对超市中众多的低价商品来说就变得难以承受了 。 所以 ， 科学家已经想到用廉价的导电塑料薄膜来替代传统的硅晶体材料 ， 比如一种叫做“并五苯”的有机材料 。 并五苯的分子结构包含了五个苯环 ， 这五个苯环沿着一条直线整齐地并列着 。 科学家发现 ， 这样的分子结构使并五苯在高纯态时成为良好的半导体 ， 其导电性能与硅晶体接近 。 利用成熟的化学气相沉积法 ， 可以海量生产出性能优良的并五苯薄膜 ， 用它制作RFID标签 ， 成本可以降到每枚数分 。


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