『失敗』實驗與導電塑料

　　在科幻小說或電影中，我們經常會看到那些能力非凡的“機器人殺手”。這些機器人不僅有著敏捷的身手、精密的思維，并且有著和我們普通人完全相同的外觀，令人防不勝防。然而，這種機器人只是存在于小說和影視作品中。就當下而言，拋開思維和智慧的指標，單從外貌上講，我們所能制造的最先進的機器人仍然是“金屬零件的組合”，直觀上看它們還是“機器”而非“人”。那什么時候我們才能造出具有“皮肉之軀”的機器人呢？可以說，導電塑料時代的開啟，令這一問題的解決指日可待。
　　早在2004年，日本東京大學生產技術研究所的科學家們便利用導電塑料底板、有機晶體管和橡膠薄層成功制得了一塊對壓力敏感的人工皮膚。這種皮膚能夠將外界壓力信號轉化為電信號，很適合做機器人的皮膚。這對于機器人制造技術絕對是一項重大突破。更引人注目的是，導電塑料不僅能賦予機器人“皮膚”，還可以制造出一種人工肌肉。這種肌肉可以通過電化學方法進行控制，使之膨脹和收縮。利用這種技術工藝，科學家能制造出非常類似人類四肢的機器人肢體。由此可以預見，我們發明出具有“皮肉之軀”的機器人已為時不遠。
　　的確，導電塑料的發現，大大開拓了材料科學的研究范圍。其實不僅僅在機器人制造領域，它在電磁、能源、超導、納米等諸多領域也發揮著越來越大的作用。然而，我們卻很難想象，這一偉大發現，卻是源于一次失敗的實驗。
　　
　　傳奇只在無意間
　　
　　發現導電塑料的是日本人白川英樹。白川少年時便對塑料產生了濃厚的興趣，并于1955年考取了東京工業大學高分子化學系。1966年，白川博士畢業后便留在母校資源研究所工作。
　　那個傳奇般的實驗發生在1967 年，白川英樹的一個學生在做聚乙炔合成實驗時無意間添加了1000倍用量的催化劑，導致了一次嚴重的失誤。聚乙炔是一種高分子聚合物，也就是塑料的一種。然而白川吃驚的發現，這次實驗反應容器的內部竟然生成了一種漂亮的銀色薄膜，性狀明顯區別于普通的聚乙炔。這種薄膜看上去類似金屬，但用手觸碰的感覺又好似高分子有機物。白川對這種薄膜進行了吸收光譜分析，發現它可以吸收紅外光，并且當膜的厚度更薄時，也能吸收紫外光和可見光，除了這些結論，白川對這種“三不像薄膜”一無所知。但這次實驗的結果卻深深地刻印在白川的腦海中。
　　1975年，訪問日本的美國化學家麥克迪亞米德在一家咖啡店邂逅白川英樹，兩大化學家無意間的碰撞續寫著這段傳奇。當時這兩位同行很自然地談起了各自的研究工作。當白川說起自己曾發現過一種金屬樣的高分子材料時，說者無意，聽者有心，對塑料導電性已研究多年的麥克迪亞米德立刻感覺到勝利女神正向自己走來。因為這種金屬樣的高分子有機物正是他夢寐以求而不可得的東西，于是，他決定與白川合作研究。麥克迪亞米德回國后，把白川的工作告訴了自己的老搭檔黑格，黑格激動地說道：“這正是我們所期望的。”
　　半年后，白川赴美國賓夕法尼亞大學開始了三人的合作研究。在那里，他們立刻著手進行改變聚合物導電性的研究。他們嘗試各種實驗，反復測試實驗結果，終于在無數次失敗后迎來了曙光。有一次，他們用碘蒸氣氧化這種薄膜，他們知道這樣做會改善薄膜的光學性質。但他們同時卻發現，這種薄膜的導電能力竟然提高了 1000 萬倍。1977年，三人聯名發表論文，公開了這一偉大發現。同年，白川在紐約科學院國際學術會議上，向人們展示了塑料能導電的實驗事實。從此，一個嶄新的領域生機勃勃的發展起來，導電塑料漸漸步入了人們的視野。
　　
　　
　　揭開導電塑料的奧秘
　　
　　在人們的印象中，塑料是不導電的，在普通的電纜中塑料常被用做導電銅絲外面的絕緣層。而白川英樹等三人的成果，卻向人們習以為常的“觀念”提出了挑戰。
　　導電塑料為什么能導電？我們要從導電的原理來討論。材料導電需要兩方面的因素，首先材料內部要有自由電子，其次這些自由電子可以形成定向移動。在金屬中，金屬原子的原子核對核外電子的束縛力較弱，因此金屬內部存在大量的自由移動電子，這些自由電子能夠很容易地在電場作用下定向移動，形成電流，從而導電。在半導體中，如硅和鍺，由于原子核對核外電子束縛力較強，電子本來是相對穩定地呆在自己的空穴上，但向硅或鍺中摻入少量雜原子后，規整結構被破壞，材料內部會出現多余的電子或多余的空穴。在電場作用下，多余的電子則會占據臨近的空穴，同時擠掉臨近空穴中的電子；同理多余的空穴則會吸引臨近的電子，同時會在臨近形成新的空穴。以此類推，這種連鎖效應使硅或鍺能夠導電。其實導電塑料的導電原理，類似于半導體。白川等三人實驗中的碘蒸氣，便起到了摻雜的作用。當然，并不是任何塑料經過摻雜都能導電，因為高分子聚合物都是由極其穩定的碳原子骨架構成，普通的碳骨架都是每個碳原子在自己兩側各貢獻一個電子后結合而成的碳碳之間的連接。而在白川所得到的那種薄膜狀的聚乙炔中，每個碳原子在一側貢獻出一個電子，而在另一側則貢獻出兩個電子，這種碳原子之間由雙重結合和單一結合交替構成的碳骨架，具有電子容易流動的性質，導電的聚乙炔塑料便這樣形成了。
　　
　　導電塑料時代的開啟
　　
　　導電塑料的發現具有巨大的意義。塑料相對于金屬，其最大的優勢便是它的可塑性，也就是可以輕易地把它加工成我們所需要的大小與形狀。上世紀八十年代，導電塑料還只是實驗室的珍品，但時至今日，導電塑料早已被生產應用。美國和日本合作，用一種叫聚苯胺的導電塑料做電池的一個電極，另一個電極是鋰，生產出只有硬幣大的可重復充電的電池；德國一家公司用導電塑料生產出一種僅明信片大小的薄型撓性電池，很適用于作手提式工具的電源。
　　導電塑料的用途還有很多，如可以用于制造抗靜電地毯、可折疊的電視機屏幕、穿在身上的計算機、發光墻紙、發光交通標志、發光衣料和裝飾品以及把陽光擋在戶外的智能窗簾等；還可用來生產吸收輻射線的屏蔽材料，以保護航空航天飛機上的電氣元件免遭雷擊和電磁干擾。科學家們已發明了一種含極細微的導電聚合物顆粒