中美團隊聯(lián)合突破 導(dǎo)電聚合物達金屬級 柔性電子迎新拐點

有沒有戴智能手環(huán)戴到彎折處觸控失靈的經(jīng)歷？用久了彎折那塊突然沒反應(yīng)，摘下來細看也找不到明顯裂縫，其實是內(nèi)部導(dǎo)電材料出了問題。反復(fù)折來折去，金屬或者硅基導(dǎo)電層會長出一堆微裂紋，導(dǎo)電能力直接跳水。這個日常碰到的小麻煩，卡了整個柔性電子行業(yè)半個多世紀，直到最近終于迎來破局曙光，中美頂尖科研團隊聯(lián)手拿出了新成果，論文還登上了《科學》期刊。

早在1977年，人類就發(fā)現(xiàn)摻雜后的聚乙炔可以導(dǎo)電，三位科學家還憑著這個成果拿了諾貝爾化學獎。從那時候起，行業(yè)就定下了一個小目標，用導(dǎo)電高分子替代金屬和硅，做出全柔性的高性能電子器件。誰能想到，之后幾十年，整個行業(yè)都卡在同一個問題上走不出來。

普通導(dǎo)電高分子的分子鏈就像一鍋煮得軟爛的面條，互相纏結(jié)，方向亂七八糟。電荷在單條分子鏈上移動的時候速度很快，可一旦要跳到另一條鏈上，就得耽誤大量時間，整體導(dǎo)電效率始終提不上來。

之前行業(yè)里主流的解決辦法，都是等聚合物合成完再做后續(xù)調(diào)整。改一改側(cè)鏈分子結(jié)構(gòu)，加特殊溶劑，延長退火時間，用外力拉伸把纏結(jié)的分子鏈捋順?？筛叻肿渔溙焐蛙?，費半天勁整理好的有序結(jié)構(gòu)，放不了多久又變回了亂麻。

這就掉進了死循環(huán)，要讓材料能通過溶液加工做成柔性薄膜，就得保留分子鏈的柔性，可柔性越強，分子越容易亂跑，好不容易弄出來的有序?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)根本穩(wěn)不住。

這次的聯(lián)合團隊換了個完全不一樣的思路，不再跟合成后的無序狀態(tài)死磕，轉(zhuǎn)而把聚合、摻雜、組裝三個原本分開的步驟，放到同一個溶液環(huán)境里一起推進。

他們選的n-PBDF分子自帶特殊的質(zhì)子結(jié)合位點，兩個相鄰的分子鏈可以通過強氫鍵像拉鏈一樣牢牢咬在一起，形成特別穩(wěn)定的雙鏈結(jié)構(gòu)。更巧妙的是，他們把未聚合的單體和已經(jīng)生成的聚合物放在同一個體系里，單體可以還原聚合物讓它帶上電荷，帶電荷的聚合物反過來又能催化單體聚合。

整個過程就像有個看不見的管理員，一邊把新的小分子接長到分子鏈上，一邊順手把整條鏈擺進整齊的隊列里。反應(yīng)開始三四十分鐘后，溶液里就慢慢長出了大量細長的納米帶，這些納米帶寬度約25納米，厚度不到1納米，最長能延伸到數(shù)百納米。

電鏡觀測結(jié)果顯示，納米帶內(nèi)部的所有分子鏈全部指向同一個長軸方向，鏈與鏈的間距剛好是0.34納米，這就是π-π堆積作用的標準距離。電荷在這樣的結(jié)構(gòu)里前進，全程幾乎不用拐彎，也不用反復(fù)在不同鏈條間跳躍，順暢得不行。

最終做好的材料，平行于分子鏈方向的電導(dǎo)率達到了10200S/cm，比普通導(dǎo)電高分子高出了將近兩個數(shù)量級，正式跨入了金屬級導(dǎo)電率的門檻。用遠紅外太赫茲光譜測得的載流子遷移率達到了30平方厘米每伏秒，這個數(shù)據(jù)已經(jīng)接近不少傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體的水平。

更有意思的是，測試發(fā)現(xiàn)垂直于分子鏈方向的電導(dǎo)率只有1800S/cm，這么大的差距直接實錘，絕大多數(shù)電荷都是沿著整齊的分子鏈高速移動，根本沒走什么雜亂的捷徑。

這項成果的意義，早就不只是造出了一款性能不錯的新材料。縱觀共軛高分子的整個發(fā)展歷史，這已經(jīng)是行業(yè)第四次核心概念轉(zhuǎn)變。

以前大家都覺得，有序結(jié)構(gòu)得靠克服無序才能得到，現(xiàn)在這項研究給出了全新的答案，有序完全可以在動態(tài)的生長過程中，從無序里自然孕育出來。

這個新思路不只適用于導(dǎo)電高分子領(lǐng)域，在生物學、軟物質(zhì)物理、非平衡系統(tǒng)研究這些方向，越來越多的證據(jù)都指向同一個結(jié)論。很多復(fù)雜的有序結(jié)構(gòu)，根本不是從靜態(tài)平衡里長出來的，而是靠著動態(tài)的路徑演化逐步形成的。

當然，這項實驗室成果距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，還有不少問題要解決。目前納米帶的生長條件需要精準管控，大面積量產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性還需要持續(xù)優(yōu)化，可它已經(jīng)給整個柔性電子產(chǎn)業(yè)推開了一扇之前沒人發(fā)現(xiàn)的新門。

未來如果這套聚合驅(qū)動自發(fā)組裝的機制能夠推廣到更多高分子體系，我們就能在溶液里直接長出大面積的有序?qū)щ姳∧ぃ挥迷僮龊罄m(xù)復(fù)雜的后處理工序。到那時候，可隨意彎折的全柔性顯示屏、貼在皮膚上就能實時監(jiān)測體征的生物傳感器、穿戴式熱電發(fā)電設(shè)備，都會迎來一波性能的集體躍升。

那些藏在手環(huán)彎折處、柔性屏邊緣的微裂紋困擾，早晚都會被這類全新的材料徹底解決。

參考資料：科技日報 中美團隊研發(fā)出金屬級導(dǎo)電性導(dǎo)電聚合物