2000諾貝爾獎(jiǎng)匯總

2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)美國科學(xué)家艾倫·J·黑格美國科學(xué)家艾倫·G·馬克迪爾米德日本科學(xué)家白川英樹導(dǎo)電塑料瑞典皇家科學(xué)院于2000年10月10日決定，將2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國科學(xué)家艾倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學(xué)家白川英樹，以表彰他們有關(guān)導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)〔乙炔在1000攝氏度時(shí)導(dǎo)電〕。在人們的印象中，塑料是不導(dǎo)電的。在普通的電纜中，塑料就常被用作導(dǎo)電銅絲外面的絕緣層。但本年度三名諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主的成果，卻向人們習(xí)以為常的“觀念〞提出了挑戰(zhàn)。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過特殊改造之后，塑料能夠表現(xiàn)得像金屬一樣，產(chǎn)生導(dǎo)電性。聚合物要能夠?qū)щ姡鋬?nèi)部的碳原子之間必須交替地以單鍵和雙鍵結(jié)合，同時(shí)還必須經(jīng)過摻雜處理——也就是說，通過氧化或復(fù)原反響失去或獲得電子亦稱為共軛的雙鍵，透過乙炔所聚合而得的聚乙炔(左圖)即具有這樣的結(jié)構(gòu)。塑料如何能變得導(dǎo)電？不過，具有共軛雙鍵的長鏈并缺乏以造成它的導(dǎo)電，要能導(dǎo)電必須對(duì)這種塑料動(dòng)點(diǎn)手腳，一則將部份電子移出(氧化)，一則參加一些電子(復(fù)原)，這種過程稱為摻雜(doping)，如以下圖的小游戲提供一個(gè)簡單的模型來說明一個(gè)摻雜的聚合物發(fā)生的狀況，如果不是因?yàn)槠渲杏幸粋€(gè)空洞，整個(gè)數(shù)字盤中的數(shù)字方塊就無法移動(dòng)，在摻雜過的導(dǎo)電塑膠中也如這個(gè)游戲一般，想象每一個(gè)數(shù)字方塊就好似是一個(gè)電子，由于有一個(gè)空洞的存在，電子就能夠在其中順利的移動(dòng)，當(dāng)然這個(gè)模型是過度簡化的聚合物導(dǎo)電的發(fā)現(xiàn)與喝咖啡時(shí)間的重要關(guān)系在這個(gè)故事中的主要角色就是聚乙炔，那是一個(gè)平面的分子，鍵與鍵之間具有一個(gè)一百二十度的夾角，它能以兩種異構(gòu)存在，一個(gè)是順式的聚乙炔一個(gè)是反式的聚乙炔(如前面的附圖所示)，在1970年代的初期，日本化學(xué)家白川開展了一種合成聚乙炔的新方法，它的方法可以控制順式與反式異構(gòu)物的比例，所得到的聚乙炔是以一種黑色的膜附著在反響瓶的內(nèi)壁，有一次，由于一個(gè)錯(cuò)誤，參加了比平常多一千倍的催化劑，而令白川意外的，這一次竟得到了一個(gè)美麗的銀白色的膜。白川受到這個(gè)發(fā)現(xiàn)的鼓勵(lì)，近一步的研究顯示這個(gè)銀白色的膜是反式的聚乙炔，而在另一個(gè)溫度所得到的則是一個(gè)具有銅般顏色的膜，后者幾乎是純的順式聚乙炔。這種改變溫度以及催化劑濃度的做法對(duì)后來的開展扮演了決定性的角色。在世界的另一端，化學(xué)家MacDiarmid與物理學(xué)家Heeger正在進(jìn)行一個(gè)金屬似的無機(jī)聚合物硫化氮(SN)x的膜之研究，MacDiarmid在一個(gè)東京舉行的學(xué)術(shù)演講中提到了他們的研究，如果不是因?yàn)樵谝粋€(gè)喝咖啡的休息時(shí)間MacDiarmid與白川的巧遇，我們的故事可能就此結(jié)束。當(dāng)MacDiarmid這時(shí)聽到白川發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有機(jī)聚合物也會(huì)發(fā)出像銀一般的色澤，他立刻邀請(qǐng)白川到美國費(fèi)城的賓州大學(xué)訪問，他們開始利用碘蒸氣來氧化聚乙炔。在此之前白川早道他的塑料的光學(xué)性質(zhì)會(huì)因氧化而改變，但是MacDiarmid建議由Heeger對(duì)這個(gè)膜進(jìn)行物理性質(zhì)的量測(cè)，Heeger的一個(gè)學(xué)生量測(cè)了摻碘的反式聚乙炔，當(dāng)?shù)囊幌?，?dǎo)電度增高了一千萬倍。摻雜(doping)─追求更好的分子性質(zhì)當(dāng)我們描述這種聚合物分子時(shí)，要知道其中有s鍵與p鍵，s鍵是固定不動(dòng)的，它們?cè)谔荚娱g生成共價(jià)鍵，在共軛雙鍵系統(tǒng)中的p電子也是相當(dāng)定域化的，只不過它們不假設(shè)s電子般受到較大的束縛，如果要讓電流通過這個(gè)分子，必須將一個(gè)或多個(gè)電子移走或參加，此時(shí)當(dāng)通電后，p電子才能快速地在分子的鏈上移動(dòng)，由于塑料物質(zhì)是由許多聚合物鏈所組合成的，因此其導(dǎo)電度將會(huì)受到電子是否能從一個(gè)鏈跳到另一個(gè)鏈而有所影響，所以聚合物鏈必須能很整齊的排列。前面提及有兩種摻雜法，即氧化與復(fù)原，在聚乙炔的例子中，其反響可以下式表達(dá)：以鹵素氧化(p-摻雜) [CH]n+3x/2I2[CH]nx++xI3以堿金屬復(fù)原(n-摻雜) [CH]n+xNa[CH]nx-+xNa+摻雜后的聚合物是鹽類型態(tài)，不過并非由于碘離子或鈉離子的移動(dòng)而導(dǎo)致電流，主要還是由于共軛雙鍵中的電子流動(dòng)，更進(jìn)一步的，如果在與電流垂直的方向上施以夠強(qiáng)的電場(chǎng)，將可控制碘離子與鈉離子靠近或遠(yuǎn)離聚合物分子，這代表摻雜的反響方向可以控制，而塑料的導(dǎo)電性可藉此翻開或關(guān)閉。神奇的導(dǎo)電塑料有一些導(dǎo)電塑料已有應(yīng)用的產(chǎn)品問世或正在測(cè)試中，包括：Polythiophene衍生物運(yùn)用在感光膜的抗靜電處理，它們也可運(yùn)用在超商中貨品的標(biāo)簽，結(jié)帳時(shí)能自動(dòng)的登帳。摻雜的聚苯胺(dopedpolyaniline)運(yùn)用在抗靜電物質(zhì)上，例如辦公室或戲院使用的塑料地毯，在這些場(chǎng)所，不讓靜電產(chǎn)生是很重要的。它們也可用在計(jì)算機(jī)屏幕上以保護(hù)使用者不受電磁波的照射，又能用在抑制腐蝕上。像是PPV(polyphenylenevinylene)很快的將會(huì)運(yùn)用在行動(dòng)的顯示器上。Polydialkylfluorenes運(yùn)用在開展新型的電視彩色屏幕上。在二十世紀(jì)我們有電木(Bakelite)制成的機(jī)，耐龍(Nylon)制成的襪子，聚乙烯的袋子以及上百項(xiàng)或更多的重要塑料制品，那么，新的紀(jì)元能提供些什么呢？或許從今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)給我們的提示就是塑料材料的不同運(yùn)用。導(dǎo)電與半導(dǎo)體的塑料所以具有高度的商業(yè)價(jià)值，一個(gè)重要的原因就是它們?nèi)菀字圃於伊畠r(jià)。以塑料做的電子零件及集成電路將很快的在一些價(jià)格至上而不要求高速的消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)上占有一席之地。雖然塑料的電子組