應用潛力極大的導電塑料

2020-11-27 Feijiu網

塑料訊:2000年12月12日,瑞典皇家科學院把2000年諾貝爾獎頒發給日本筑波大學名譽教授白川英樹和他的兩個歐美同行。他們共同獲得獎項目的理由是「發現並研製出了導電塑料」。歷來被視為絕緣體的塑料,因他們的這一發現而具有了金屬那樣的導電性。以此為基礎,科學家們大力研究與開發導電塑料的應用領域。

在便攜電源開發上,導電塑料用途廣闊。越來越追求輕薄小巧的行動電話市場,使傳統的鎳和鉛等重金屬電池也正面臨被淘汰的境地。去年索尼公司新上市的可錄放MD播放器,就已採用了白川教授開發的導電塑料電池,實現了首例商業應用。而美國新推出的一款導電塑料電池採用被稱為聚苯胺的導電塑料製造一個電極,另外一個電極是鋰。該導電塑料電池僅有一枚硬幣大小,可以重複充電。德國廠商也用導電塑料製造出僅有普通明信片一般大小的薄型撓性導電塑料電池,可提供可攜式工具的電源。與容易造成汙染的重金屬相比,使用導電塑料做的電池更有利於保護環境。

在微晶片的開發上,塑料晶片有可能取代矽晶片。據預測,到2004年,全球塑料晶片行業的平均銷售額將達到100億美元,塑料晶片將成為未來極有發展潛力的新一代晶片。目前,已有多家IT業巨頭宣布成立塑料晶片的專門研究機構,例如IBM、三菱、日立、朗訊、施樂、飛利浦和Hoechet公司等。他們已經研製出集成了幾百隻電子元器件的塑料晶片樣品,探索出能夠批量生產的集成度較低的塑料晶片。與矽晶片相比,塑料晶片價格則非常低廉,僅為矽晶片的1%~10%,極具市場競爭力,它將首先在條條形碼掃描儀和付款機中使用。

在太陽能的開發上,塑料太陽能電池呼之欲出。奧地利科學家利用聚苯乙烯等製造塑料太陽能電池取得進展,成功地使其效率提高到約3%,而且有望解決太陽能電池成本過高的問題。製造塑料太陽能電池正是需要具有半導體性能的塑料,奧地利科學家在研究中使用了聚苯乙烯這樣的碳氫化合物和由純碳組成的富勒式結構,將它們混合後加工成極薄的膜,然後在膜層上下兩面蒸發塗上銦錫氧化物或鋁這樣的貴重金屬作為電極。由於聚苯乙烯受到光照時會釋放出電子,而富勒式結構則會吸收電子,如果將燈泡接在這兩個電極上,電子開始流動就會使燈泡發光。傳統的矽太陽能電池不僅價格昂貴,而且生產過程中消耗大量能源,因此成本昂貴,無法成為替代礦物燃料的能源,而塑料電池最大的特點就是生產成本低、耗能少。一旦技術成熟,可以在流水線上批量生產,使用範圍也很廣。

在顯示器市場上,導電塑料大顯神威。長期以來,顯示器市場一直期待著一種通電後可以發光的導電塑料,這項科研成果今後會有相當廣闊的市場。日本先鋒公司的有關科研成果,雖然並未直接利用導電塑料,但是根據導電塑料的原理,於1997年開發出一種新型顯示器,並且開始應用到汽車音響中。以往汽車的錶盤,其本身並不發光,而是利用後面照射光線來顯示畫面。先鋒的這種顯示器,明顯改善了畫面的切換速度,與液晶相比,速度提高了近1000倍,因此非常清晰。日本科學家還研製出包含有幾百個有機計算機晶片的柔軟的導電塑料,採用這種導電塑料製造出了新穎的平板顯示器和電子標籤。導電塑料製造的顯示屏可以用於行動電話手機、太陽能電池和微型電視等。

在超導技術領域,超導塑料閃亮登場。由於碳分子聚合物的結構不利於電子的運動,科學家一直沒能研製出以它為基礎的超導體。

  然而,貝爾實驗室的科學家使用一種名為聚噻吩的塑料,設法用氧化鋁合金製成一種金屬薄片,並在其上塗上一層聚噻吩薄膜。科學家發現,在它們形成的電場中,電子可以無損耗地通過聚集噻吩薄膜,這表明聚噻吩具有超導特性。雖然人們認為超導塑料具有廣闊的應用前景,但領導該項研究的伯特倫·貝特拉格認為,超導塑料要進入實際應用,還有很多工作要做,他們發現的超導塑料在絕對溫度4K時才顯示出超導性。目前他們正在用同樣的方法尋找在較高溫度下具有超導特性的塑料。

在電磁防護品市場,導電塑料顯示出巨大優越性。傳統的電磁屏蔽材料多採用銅材,但導電塑料的防靜電特性賦予了它同樣的性能,而且製造成本要低得多,消耗資源少,應用方便。因此,它是一種非常理想的電磁屏蔽材料替代品。可以應用於計算機房、電視機、電腦和心臟起搏器上。

在納米技術的開發上,導電塑料可能是最佳材料。目前,導電塑料的發明人之一、美國物理學家馬克迪爾米德教授正在著手研究導電塑料與納米技術的結合運用。即將傳統的導電材料與導電纖維靜電編織起來,製造出納米級纖維和納米電子線路。眾所周知,人的頭髮直徑是5萬納米,而馬克迪爾米德教授領導的研究小組正在研製的納米材料聚苯胺纖維的直徑僅為100納米,這是目前世界上最細的纖維,僅有頭髮絲直徑的1/500。如果將納米導電纖維與納米電子電路結合起來,可以把計算機做得非常小。該研究小組已成功地利用普通塑料研製出納米電子線路,並申請了專利,同時在賓夕法尼亞州立大學成立了導電塑料開發公司,他們開發的納米電子線路成本非常低,一塊納米電子線路板的成本僅為1美分。

在蓄電功能的開發上,導電塑料將替代電解電容器。1990年,松下通信公司的高級工程師藤康夫等人,利用導電塑料代替在電路中慣用的具有蓄電功能的電解電容器,成功地使電路的電阻降低到萬分之一以下,同時解決了傳統電解電容器中液體成分難以處理的問題。電阻小就可以節電,也可以適應電信號的迅速變化,為此,在實現個人電腦小型化和高速化方面,導電塑料的需求正在擴大。

在機器人的製造上,導電塑料潛力巨大。採用裝有塑料晶片的微電腦控制的機器人,比採用矽晶片的機器人更靈活,更容易操縱,採用導電塑料製造出來的機器人的肌肉富有彈性,用電化學方法控制這種人造肌肉,可以使之膨脹和收縮,這種幾乎能夠以假亂真的肌肉適合於製造機器人的四肢,它能夠按機器人電腦的指揮做出各種動作,這是機器人製造技術的一項重大突破。

在生命科學領域,導電塑料可製成智能材料。最新研究表明,DNA也可以具有導電性,因此,把導電塑料與生命科學結合起來,可以製造出人造肌肉和人造神經,以促進的DNA生長或修飾DNA,這將是導電塑料在應用上最重要的一個趨勢。

導電塑料在其他方面還有更多的應用,比如,利用它對電信號的敏感性,可以用來製作傳感器;由於它能夠吸收微波,調製成飛機塗料還可以起到逃避雷達的隱型效果;在火箭、船舶、石油管道以及汙水管道中,還可以發揮它的防腐功能。

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