2000诺贝尔奖汇总

2000年诺贝尔化学奖美国科学家艾伦·J·黑格美国科学家艾伦·G·马克迪尔米德日本科学家白川英树导电塑料瑞典皇家科学院于2000年10月10日决定，将2000年诺贝尔化学奖授予美国科学家艾伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树，以表彰他们有关导电聚合物的发现〔乙炔在1000摄氏度时导电〕。在人们的印象中，塑料是不导电的。在普通的电缆中，塑料就常被用作导电铜丝外面的绝缘层。但本年度三名诺贝尔化学奖得主的成果，却向人们习以为常的“观念〞提出了挑战。他们通过研究发现，经过特殊改造之后，塑料能够表现得像金属一样，产生导电性。聚合物要能够导电，其内部的碳原子之间必须交替地以单键和双键结合，同时还必须经过掺杂处理——也就是说，通过氧化或复原反响失去或获得电子亦称为共轭的双键，透过乙炔所聚合而得的聚乙炔(左图)即具有这样的结构。塑料如何能变得导电？不过，具有共轭双键的长链并缺乏以造成它的导电，要能导电必须对这种塑料动点手脚，一则将部份电子移出(氧化)，一则参加一些电子(复原)，这种过程称为掺杂(doping)，如以下图的小游戏提供一个简单的模型来说明一个掺杂的聚合物发生的状况，如果不是因为其中有一个空洞，整个数字盘中的数字方块就无法移动，在掺杂过的导电塑胶中也如这个游戏一般，想象每一个数字方块就好似是一个电子，由于有一个空洞的存在，电子就能够在其中顺利的移动，当然这个模型是过度简化的聚合物导电的发现与喝咖啡时间的重要关系在这个故事中的主要角色就是聚乙炔，那是一个平面的分子，键与键之间具有一个一百二十度的夹角，它能以两种异构存在，一个是顺式的聚乙炔一个是反式的聚乙炔(如前面的附图所示)，在1970年代的初期，日本化学家白川开展了一种合成聚乙炔的新方法，它的方法可以控制顺式与反式异构物的比例，所得到的聚乙炔是以一种黑色的膜附着在反响瓶的内壁，有一次，由于一个错误，参加了比平常多一千倍的催化剂，而令白川意外的，这一次竟得到了一个美丽的银白色的膜。白川受到这个发现的鼓励，近一步的研究显示这个银白色的膜是反式的聚乙炔，而在另一个温度所得到的则是一个具有铜般颜色的膜，后者几乎是纯的顺式聚乙炔。这种改变温度以及催化剂浓度的做法对后来的开展扮演了决定性的角色。在世界的另一端，化学家MacDiarmid与物理学家Heeger正在进行一个金属似的无机聚合物硫化氮(SN)x的膜之研究，MacDiarmid在一个东京举行的学术演讲中提到了他们的研究，如果不是因为在一个喝咖啡的休息时间MacDiarmid与白川的巧遇，我们的故事可能就此结束。当MacDiarmid这时听到白川发现了一个有机聚合物也会发出像银一般的色泽，他立刻邀请白川到美国费城的宾州大学访问，他们开始利用碘蒸气来氧化聚乙炔。在此之前白川早道他的塑料的光学性质会因氧化而改变，但是MacDiarmid建议由Heeger对这个膜进行物理性质的量测，Heeger的一个学生量测了掺碘的反式聚乙炔，当的一下，导电度增高了一千万倍。掺杂(doping)─追求更好的分子性质当我们描述这种聚合物分子时，要知道其中有s键与p鍵，s键是固定不动的，它们在碳原子间生成共价键，在共轭双键系统中的p电子也是相当定域化的，只不过它们不假设s电子般受到较大的束缚，如果要让电流通过这个分子，必须将一个或多个电子移走或参加，此时当通电后，p电子才能快速地在分子的链上移动，由于塑料物质是由许多聚合物链所组合成的，因此其导电度将会受到电子是否能从一个链跳到另一个链而有所影响，所以聚合物链必须能很整齐的排列。前面提及有两种掺杂法，即氧化与复原，在聚乙炔的例子中，其反响可以下式表达：以卤素氧化(p-掺杂) [CH]n+3x/2I2[CH]nx++xI3以碱金属复原(n-掺杂) [CH]n+xNa[CH]nx-+xNa+掺杂后的聚合物是盐类型态，不过并非由于碘离子或钠离子的移动而导致电流，主要还是由于共轭双键中的电子流动，更进一步的，如果在与电流垂直的方向上施以够强的电场，将可控制碘离子与钠离子靠近或远离聚合物分子，这代表掺杂的反响方向可以控制，而塑料的导电性可藉此翻开或关闭。神奇的导电塑料有一些导电塑料已有应用的产品问世或正在测试中，包括：Polythiophene衍生物运用在感光膜的抗静电处理，它们也可运用在超商中货品的标签，结帐时能自动的登帐。掺杂的聚苯胺(dopedpolyaniline)运用在抗静电物质上，例如办公室或戏院使用的塑料地毯，在这些场所，不让静电产生是很重要的。它们也可用在计算机屏幕上以保护使用者不受电磁波的照射，又能用在抑制腐蚀上。像是PPV(polyphenylenevinylene)很快的将会运用在行动的显示器上。Polydialkylfluorenes运用在开展新型的电视彩色屏幕上。在二十世纪我们有电木(Bakelite)制成的机，耐龙(Nylon)制成的袜子，聚乙烯的袋子以及上百项或更多的重要塑料制品，那么，新的纪元能提供些什么呢？或许从今年的诺贝尔化学奖给我们的提示就是塑料材料的不同运用。导电与半导体的塑料所以具有高度的商业价值，一个重要的原因就是它们容易制造而且廉价。以塑料做的电子零件及集成电路将很快的在一些价格至上而不要求高速的消费产品市场上占有一席之地。虽然塑料的电子组