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中正化學諮詢月刊 九十年一月十五日 歡迎投稿,來稿請以電子郵件寄至chewph@ccunix.ccu.edu.tw
內容:
這個月是新的一年開始,也是一個新的世紀的開始.雖然諮詢中心的計劃已經結束,但我們認為這是一個非常有意義的活動,因此諮詢月刊將持續的發行.
其實在一個年輕的化學系中要持續這項作業並不是一件容易的事,因為似乎每個人都有太多“更重要”的研究、教學、升等的瑣事需要處理.這六個月來,我要非常感謝系上許多位老師與同學們的支持,使得這項諮詢月刊的構想能真正實現並持續的推展.
自今年起,諮詢月刊將於每月十五日於網路上出刊, 二十世紀初所發展出的量子理論,相對論徹底的改變了人類對自然界乃至於整個宇宙的看法,也間接的大幅改變了我們的生活方式.近年來許多科學的發現也似乎正帶領著我們走向另一波新世紀的科學革命.在下一期的諮詢月刊中,我們將為您介紹過去一年最重要的一些科學進展以及可能對我們的影響. 本期要特別感謝本系的陳永隆同學對2000年諾貝爾化學獎的介紹及于淑君老師、蔡世宗、錢思華同學所提供的「巧克力與生活」.
中正大學化學研究所 陳永隆 譯自
瑞典皇家科學院已經決定把2000年的諾貝爾化獎頒給三位在導電高分子的發現與發展上有卓越貢獻的科學家，分別是美國加州大學聖塔巴巴拉分校的Alan J. Heeger，美國賓州大學的Alan G. MacDiarmid，以及日本筑波大學的白川英樹(Hideki Shirakawa)。 諾貝爾化學獎得主簡介：
Alan G. MacDiarmid：73歲，1927年生於紐西蘭，賓州大學化學教授。 白川英樹(Hideki Shirakawa)：64歲，1936年生於東京，日本筑波大學材料科學研究所化學教授。 可以導電的塑膠 在學習的過程中，我們常常以為塑膠不會導電，事實上塑膠被用來當作絕緣體，包覆電纜內的銅線。然而今年的諾貝爾化學獎桂冠卻是因為發現塑膠經過適當的改質後，可以製造成具有導電性。 塑膠是一種聚合物，由許多小分子重複鍵結所形成的長鏈。一種能夠導電的聚合物必須具有共軛雙鍵的結構，而且必須被〝添補〞(doped)，也就是說電子被移走(氧化)或輸入(還原)，這些〝孔洞〞或額外的電子可以沿著分子移動，於是變成可以導電。 Heeger、MacDiarmid和白川英樹(Hideki Shirakawa)在1970年代發現導電高分子，而且使其發展成一個化學家和物理學家都認為很重要的研究領域。這個領域已經產生很多重要的實際應用，例如底片上的抗靜電物質、電腦螢幕上用來抗電磁輻射的遮蔽劑、可以隔絕陽光的〝聰明〞窗戶，除此之外，還有半導體高分子，最近已經被用在發光二極體、太陽能電池、行動電話的顯示器和迷你電視的螢幕。 導電高分子的研究和分子電子學的快速發展有密切關係，未來我們將能夠製造由個別分子所組成的電晶體和其他電子零件，如此將顯著地增加電腦的速度而且減小電腦的體積。 我們的思考方式已經習慣於接受科學上偉大發現的衝擊，今年的諾貝爾化學獎也不例外，事實上我們從學習中已經得知塑膠是一種很好的絕緣物質，否則我們也不可能利用它來當做電線的絕緣體，但是改變我們觀點的時間已經來臨，塑膠在某些適當的環境可以被製造成像金屬一樣，這是由Alan J. Heeger、Alan G. MacDiarmid和白川英樹(Hideki Shirakawa)所共同發現，而且因而使得他們共同獲得2000年的諾貝爾化學獎。 塑膠如何導電？ 塑膠是一種聚合物，其分子就像項鍊的珠子般重複它們自己的結構。為了能導電，聚合物必須仿效金屬，它的電子必須能夠自由移動，不能被束縛在原子。首要條件是聚合物的結構必須具有共軛雙鍵，由乙炔聚合產生的聚乙炔就具有這種結構：
但這樣還不夠，為了能導電，必須從塑膠移走電子(氧化)或插入電子(還原)，這種過程稱為添補(doping)。
右圖的遊戲提供給我們一個已添補(doped)聚合物的簡單模型.在此遊戲中至少要有一個空位才能移動，在聚合物也一樣，電子從一個位置移動到另一個位置，於是產生電流。這個模型相當的簡化，稍後我們將討論一個較有化學味道的模型。 Heeger、MacDiarmid和白川英樹發現聚乙炔薄膜經過碘蒸氣氧化後，導電度可以增加一百萬倍，這個轟動性的發現是他們努力工作的結果，但也是在巧合和偶然情況下所產生的。讓我們簡短地告訴你一個故事，故事的內容是描述現代化學中一種偉大發現的過程。 聚合物的導電度是如何發生的？－咖啡時間的重要性 故事的主角是聚乙炔，它是個鍵角1200左右的平面分子，因此存在二種不同的異構物，分別是順式－聚乙炔和反式－聚乙炔。1970年代初期，日本的化學家白川英樹發現可以用新方法來合成聚乙炔，他可以控制黑色聚乙炔薄膜的順式和反式異構物的比例。有一次，錯誤地加了大量的(1000倍)觸媒，結果卻讓白川英樹大為驚訝，產生了漂亮的銀色薄膜。 白川英樹被這個發現所鼓舞，銀色的薄膜是反式－聚乙炔，在其它溫度的相關反應則可以得到銅色的薄膜，後者是純的順式－聚乙炔，溫度和觸媒濃度的改變是這個反應的決定性因素。 在這個世界的另一個地方，化學家MacDiarmid和物理學家Heeger正在做一個看起來像金屬的無機聚合物((SN)X)薄膜。MacDiarmid在東京的一個研討會上談到他做的實驗，如果白川英樹和MacDiarmid沒有在咖啡時間偶然碰面，這個故事就到此為止，說不下去了。 當MacDiarmid聽到白川英樹所發現的有機聚合物發出像銀的亮光時，他邀請白川英樹到費城的賓州大學。他們開始用碘蒸氣來氧化聚乙炔，白川英樹瞭解氧化過程中光學性質的變化，MacDiarmid建議邀請Heeger來看一下這薄膜，一位Heeger的學生把用碘氧化所產生的反式－聚乙炔拿去測導電度，結果發現導電度增加了一千萬倍。 1977年夏天，Heeger、MacDiarmid、白川英樹和其共同研究者發表他們的發現在”Synthesis of electrically conducting organic polymers:Halogen derivatives of polyacetylene(CH)n”論文，刊登在The Journal of Chemical Society, Chemical Communications，這個發現被認為是一項重要的成就，因為這個領域現在已經蓬勃發展而且也產生很多新的應用。 添補(doping)－改善分子的功能 聚乙炔薄膜到底發生甚麼事？當我們比較一些常用化合物的導電度時，發現聚合物的導電度變化很可觀，聚乙炔原來的導電度類似半導體，添補後(doped)可以產生類似銅、銀的導電度。
金屬線可以導電是因為金屬內的電子可以自由移動，我們如何解釋被添補後(doped)聚合物的導電度呢？ 在描述聚合物分子時，先要分清楚 就像先前所提過的，有兩種添補(doping)型態，包括有氧化和還原。現在以聚乙炔為例說明如下： 用鹵素氧化(p-doping): [CH]n + 3x/2 I2 --> [CH]nx+ + x I3- 用鹼金屬還原(n-doping): [CH]n + x Na --> [CH]nx- + x Na+ 添補後的聚合物形成鹽類，產生電流的原因並不是碘離子或鈉離子而是共軛雙鍵上的電子移動。此外，若加上足夠的電場強度，碘離子和鈉離子將會向聚合物靠近或遠離，這意味著添補反應的方法可以控制導電高分子使其打開或關閉導電性。 極子(polaron)－添補過的碳鏈 上述第一個反應，碘分子從聚乙炔抽取一個電子形成I－，聚乙炔分子形成帶正電荷，稱為自由基陽離子或極子，如下圖所示：
雙鍵上的 我們已經說明了高分子如何被製造成具有導電性，如果需要更詳細的資訊，請參考刊登在www.nobel.se/annousement/2000位址上的”Information(advanced) on the Nobel Prize 2000”，在這個位址上也有一幅極子(polaron)轉移的動畫。 光彩奪目的應用 當我們每次開電燈時就被提醒，可以導電的金屬線可以被製成電燈泡，當有足夠的電流強度通過時就可以發光。利用發光二極體(LED)的電發光原理也可以把高分子製造成可以發光，這些發光二極體可以比一般燈泡更節省能源而且產生較少的熱。在電發光裏，用電場激發時，會從高分子薄層放光，發光二極體內傳統上使用無機半導體的磷化鎵，如今也可以使用半導體高分子來取代。 從半導體高分子來產生電發光已經有大約十年的歷史了，現今商業上有廣大的興趣在發光二極體上。發光二極體可以利用導電高分子當作一邊的電極，半導體高分子在中間，另一邊則是金屬線圈當電極，當兩電極接上電源時，半導體高分子將會開始發光。
這種光彩奪目的塑膠有很多的應用，譬如說，過幾年以後，將可以看到以LED薄膜為基礎的平面電視機螢幕、以及發光的交通號誌和資訊號誌，因為大量生產薄層塑膠較簡單，人們可以想像發光壁紙貼在我們家牆壁上，甚至還有更驚人的應用產生。 更多的應用 導電高分子在市場上的一些實際應用以及還在試驗階段的有： 被添補的polyaniline可以做為抗靜電材料，例如辦公室或劇院的塑膠地毯，這些地方的抗靜電很重要，也可以用在電腦螢幕上，保護使用者避免電磁輻射。Polyphenylenevinylene這種材料將會很快地被應用在行動電話的顯示器上。Polyalkylfluorenes則可以被使用在電視或影音設備上新的彩色螢幕。 未來展望 20世紀時，我們有衛星電話、耐隆褲襪、聚乙烯塑膠袋和成千的塑膠製品。新的世紀將會有甚麼呢？在今年諾貝爾化學獎的光輝照耀下，或許我們將可能使用和現在不同的塑膠。 為什麼導電高分子和半導體高分子會有很大的商業潛力？一種原因就是可以很快而且很便宜地生產，於是以高分子為基礎的電子零件、積體電路將很快地商品化，因為低的加工成本將比速度快重要。 從高分子為基礎的電子學橫跨到實際分子大小的電子學是一條非常大的鴻溝，但卻令人著迷。以分子為基礎的積體電路可以比以矽為基礎的電子學所允許的體積小很多倍。雖然有很多挑戰橫在前面，我們正處在跨越塑膠－電子學革命的門檻上，對化學、物理學以及資訊科技上都有令人振奮的啟發。
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