你還記得嗎？ 如果把物質依導電性的高低 可分為「導體」 「半導體」以及「絕緣體」 例如金屬導電性佳 是電的良導體 但塑膠材料一般被認為是電的不良導體 所以塑膠、橡膠等材質 被視為「絕緣材料」 我們可以發現 塑膠、橡膠等均為有機聚合物 但所有的有機聚合物都是電的不良導體嗎？ 當然不是喔！ 2000年的諾貝爾化學獎頒給日本科學家白川英樹（Shirakawa Hideki） 美國科學家麥克德爾米德（Alan MacDiarmid） 和艾倫黑格（Alan Heeger） 表彰他們在導電高分子聚合物上的發現與研究 什麼是導電高分子聚合物呢？ 為什麼聚合物可以導電呢？ 這一切都要從石墨開始說起 石墨 又稱黑鉛 是碳的一種同素異形體 石墨為多層結構 每一層的碳原子都是以sp²混成軌域鍵結而成的平面延伸性結構 碳原子與碳原子間為單鍵–雙鍵–單鍵–雙鍵交替的共軛結構 在共軛結構中的π電子屬於非定域化的電子 也就是說這些π電子可自由移動 這也是石墨具有良好導電性的原因 科學家該如何設計化合物的結構 使它們能像石墨一樣具有導電性呢？ 聚乙炔（Polyacetylene,PA） 是以乙炔為單體所形成的高分子聚合物 因其優異的導電能力 在近年來引起科學家廣泛的討論 1974年時 白川英樹博士發表了聚乙炔薄膜的合成方法 並且可利用不同實驗方法 改變聚乙炔薄膜的導電性 三年後 更發現若在聚乙炔薄膜中摻雜碘蒸氣 可以將電導率提高數億倍 隨後在一系列的實驗驗證後 了解聚合物導電的原理與機制 乙炔分子是具有碳-碳參鍵的小分子 利用適當的反應條件可合成出聚乙炔 聚乙炔的結構中 不再具有碳-碳參鍵 而是因為聚合反應變為碳-碳雙鍵 因為雙鍵在立體結構的特性 所以聚乙炔可分為順式聚乙炔與反式聚乙炔兩種結構 由於聚乙炔與石墨同樣具有共軛雙鍵 所以雙鍵上的π電子同樣可以自由移動 因而造成聚乙炔分子具有導電性 但聚乙炔的導電性僅與半導體相當 若在聚乙炔中摻雜碘 可使聚乙炔分子的雙鍵被氧化而帶正電 此正電荷與三碘錯離子的負電互相吸引 使得共軛雙鍵上的電子移動更加容易 導致聚乙炔的導電性可以提高數億倍 甚至導電性可媲美金屬銀 不過在聚乙炔的研究過程中 有個美麗的小故事要說給大家聽 其實聚乙炔分子早在1958年 化學家居里奧·納塔 就已經利用含鋁及鈦的有機金屬催化劑 將乙炔氣體聚合成聚乙炔 當時他已經發現聚乙炔具有導電性 但當時合成出的聚乙炔外觀為黑色粉末 是一種包含順式與反式的混合物 居里奧·納塔尚未掌握控制產物比例的技術 因此也就沒有進一步深入研究 直到1970年代初期 任教於東京工業大學的白川英樹博士 找到一種新的合成方法 可以用來控制產物中順式聚乙炔與反式聚乙炔的比例 而且合成出的聚乙炔 是以一種黑色薄膜的型態附著在反應瓶內壁 有一次白川英樹教授的韓國學生在實驗過程中 不慎將催化劑的用量單位「毫莫耳」 誤解為「莫耳」 把催化劑用量提高了一千倍 出乎意料的是竟然得到銀色的反式聚乙炔薄膜 若在不同溫度條件下進行聚合反應 可生成順式聚乙炔 外觀也由銀色薄膜轉為金黃色薄膜 但當時對薄膜的物理性質還一知半解 後來在一場東京舉辦的學術研討會中 白川英樹博士與美國的麥克德爾米德博士巧遇 兩人討論到聚乙炔薄膜的有趣變化 麥克德爾米德博士非常驚訝 立刻邀請白川博士到美國費城的賓州大學進行訪問研究 他們開始利用氯、溴、碘等不同蒸氣來氧化聚乙炔薄膜 並由物理系的黑格教授實驗室進行聚乙炔薄膜性質的測量 黑格教授實驗室有一位來自台灣的科學家-姜傳康博士 設計出新的量測技術 並發現摻雜了碘蒸氣的反式聚乙炔薄膜 導電度竟然增高了數億倍 甚至還曾因為超過預期的高導電度 出現測量儀器燒壞的事件 至此 聚乙炔 那個鍵與鍵之間有著一百二十度夾角的美麗奇妙平面分子 有了新的生命 科學家除了探索聚乙炔分子導電度變化的成因外 導電高分子的合成方法也在同時發展 因此各種導電高分子材料也隨之誕生 並吸引科學家前仆後繼地進行研究 畫面中是幾種常見的導電高分子結構 這些有機導電高分子 不僅可以製成電子元件中的導線 後續更發展出電致發光、電磁波吸收 電致變色等不同材料 應用到現今各種消費性電子產品與工業產品上 對日常生活產生廣泛的影響 或許我們可以期待在不久的將來 利用導電聚合物可製作出薄膜型LED 甚至超薄平面電視都能慢慢商品化 其他像是可放光的高亮度交通號誌 以及道路上高解析度訊息看板等等 也都能一一實現 由於製造大面積的薄層導電聚合物的方法愈來愈簡單 或許未來家用照明設備會像是壁紙一樣 具有柔軟、彎曲、可黏貼等特性 又或許會有可自動變色的窗戶玻璃進入你我的生活 讓生活有更多的色彩 未來的發展 真是令人充滿期待 關於聚乙炔分子的相關敘述 哪些正確？ 讓我們來總結一下今天的學習內容 我們從聚乙炔的結構討論到了聚乙炔的導電性 並瞭解聚乙炔的研究歷程 也認識了其他導電聚合物及未來應用的潛力 同學們 這一個單元 你是否都學會了呢？ 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的心得 我們下次見