導電聚合物－聚乙炔

導電聚合物(Conductive Polymer)－聚乙炔(Polyacetylene)
臺北縣立三民高級中學化學科莊麗紋老師/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

聚合物(polymer)又名高分子，是分子結構龐大，分子量非常大的化合物。一般常看到的有機高分子例如塑膠、橡膠均為絕緣體，其原因在於由碳氫化合物所組成的共價單鍵長鏈分子並不具備可自由移動的電子。導電聚合物又稱導電塑膠或導電塑料，當聚合物的分子鏈上具有單鍵及雙鍵交替的共軛(conjugation)結構時，非定域化(delocalized)   電子可沿著分子鏈移動而導電，導電高分子都屬於這種共軛高分子，聚乙炔即是一例。

聚乙炔由長鏈的碳分子以 sp² 鍵鏈結而成(見圖一)，由於sp²鍵結的特性，其鍵結除了 單鍵鍵結之外，還有 p–p 軌域重疊的 鍵結形成雙鍵，當單鍵-雙鍵交替鍵結時，p軌域上的電子可沿分子主鏈非定域化，形成混成分子軌域的共軛鍵結。隨著聚合度的增加，漸次堆疊成能帶，而能帶間隙(energy bandgap)之Eg值隨共軛程度增加而逐漸降低，最終Eg值約為 1.4 eV，其他共軛高分子之Eg值則在 1.0~3.5 eV 之間，這正是半導體材料的主要特徵。金屬之Eg值為 0 eV，而絕緣體之Eg值則遠大於 3.5 eV。

因為σ電子是無法延主鏈移動的，而 電子雖較易移動，但也相當定域化(localized)，因此必需再加以摻雜(doping)，亦即移去主鏈上部分電子（氧化）或注入數個電子（還原），這些電洞或額外電子可以在分子鏈上移動（其能階位於能帶間隙中），使此高分子成為導電體。

圖一、反式聚乙炔結構圖

早在1958年納塔 (Giulio Natta, 1903-1979) 利用含鋁及鈦之有機物為觸媒，即所謂齊格-納塔(Ziegler-Natta)觸媒，將乙炔氣體聚合而得聚乙炔。當時他已發覺此共軛高分子具有導電性，但納塔並未繼續深入研究。聚乙炔包括順式(cis)及反式(trans)二種異構物。在1970年代初當時於東京工業大學擔任助手的日本化學家白川英樹博士(Hideki Shirakawa,1936-)發現利用此種觸媒可控制聚乙炔膜中順式與反式的比例。由於一次的疏忽，多加了一千倍的催化劑，使得原本應得到黑色粉末的順式聚乙炔，卻變成銀色薄膜的反式聚乙炔。

當時他並不知道此膜可以成為導電體，在美國賓州大學任教的化學家艾倫、麥克德爾米德(Alan G. MacDiarmid,1927-2007)邀請白川在他的實驗室建立合成裝置，進行聚乙炔之合成，並將聚乙炔曝露於碘蒸氣中進行氧化反應，摻雜 1％ 的碘，經美國物理學家黑格(Alan J. Heeger,1936-)量測聚乙炔之導電度；令人驚異的是此經過處理的反式聚乙炔之導電度，激增了十億(10⁹)倍。

2000 年諾貝爾化學獎頒給這三位科學家，獎勵他們在導電高分子之發現及發展上有革命性的貢獻，並引導實用化之進展，開拓此學門之跨化學及物理領域的特性。他們的研究改變了人們對高分子（塑膠）為絕緣體的印象，它也可以具有半導體及導體特性，事實上，這類聚合物可用作抗靜電材料。目前，它們已被製成攝影軟片，抗電磁輻射的電腦螢幕防護罩，以及智慧型窗戶（用以隔絕陽光）。此外，具半導體性質的高分子聚合物近來也已被製成太陽能電池，行動電話的顯示面板，甚至是迷你電視螢幕。頌詞並稱，這項發現亦將帶動分子電子學的快速發展。而這領域的發展足以大幅地加快電腦速度，並縮小其尺寸。

參考資料
1. WIKIPEDIA網站–Conductive polymer   http://en.wikipedia.org/wiki/Conductive_polymer
2. http://phy.ntnu.edu.tw/~changmc/Article/polymer.htm
3. 陳壽安，導電高分子：新世代光電材料，《物理雙月刊》23期2卷，第312頁，2001年4月。
4. 維基百科網站–導電聚合物   http://zh.wikipedia.org/zh-tw/導電聚合物（圖一）。