又是平平常常做實(shí)驗(yàn)的一天，日本科學(xué)家白川英樹（Hideki Shirakawa）繼續(xù)對(duì)乙炔聚合這個(gè)課題進(jìn)行研究，不知是科學(xué)家天生的敏感度還是當(dāng)時(shí)腦袋一熱，他們將濃度高達(dá)1000倍的催化劑用在反應(yīng)中，合成一種亮銀色聚合物的反式聚乙炔；后來，美國科學(xué)家馬克迪爾米德（Alan MacDiarmid）與艾倫黑格（Alan Heeger）對(duì)該聚乙炔進(jìn)行導(dǎo)電性研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性增加了不同數(shù)量級(jí)（圖1），從此，共軛聚合物正式進(jìn)入導(dǎo)電材料領(lǐng)域。
碘蒸氣對(duì)聚乙炔導(dǎo)電性的影響
自從聚乙炔打開“導(dǎo)電聚合物”的大門，其發(fā)展勢(shì)頭銳不可當(dāng)。從單純利用材料導(dǎo)電性制備電池并走向產(chǎn)業(yè)化，到現(xiàn)在交叉領(lǐng)域的滲透研究，導(dǎo)電聚合物一次次向我們展示其背后潛在的巨大魅力。Nature Materials雜志針對(duì)最近導(dǎo)電聚合物（CPs）的相關(guān)報(bào)道或者文獻(xiàn)進(jìn)行整理，分別有2篇評(píng)論、1篇Letter快報(bào)、2篇綜述以及4篇文章，接下來，我們將分模塊為大家介紹一下導(dǎo)電聚合物的現(xiàn)狀。
導(dǎo)電聚合物的商業(yè)開發(fā)
第一次利用CPs是在重?fù)诫s/高導(dǎo)電材料領(lǐng)域，研究人員發(fā)現(xiàn)聚苯胺或聚吡咯的反應(yīng)混合物中的物體優(yōu)先涂有高導(dǎo)電聚合物膜，為CPs用作電池和抗靜電/防腐涂層開辟道路。在之后的發(fā)展道路上，抗靜電/防腐涂層應(yīng)用遙遙領(lǐng)先，2018年市場(chǎng)價(jià)值約9億美元，而基于CPs商用電池依然不溫不火，因制造過程中需要大量電活性CPs（比其他光電器件需求量大100-1000倍），在成本上受到限制；其次，相比無無機(jī)物，清潔成本也是一個(gè)令人頭疼的因素。
最近的應(yīng)用包括用于光伏組件的有機(jī)太陽能電池，用于顯示器和電路的有機(jī)薄膜晶體管以及用于顯示和照明的有機(jī)發(fā)光二極管（圖2），預(yù)計(jì)2022年市場(chǎng)價(jià)值約1.5億美元。對(duì)于OSC，CPs可用于需要重?fù)诫s或未摻雜CP膜的器件中，最成功的莫過于P3HT與富勒烯受體，以及近階段的非富勒烯受體。因此，一些公司正在往（預(yù)）商業(yè)化方向發(fā)展，如Armor/Opvius、Epihine等公司。
導(dǎo)電聚合物的應(yīng)用
在薄膜晶體管OTFTs的商業(yè)應(yīng)用中，三菱電機(jī)公司將聚噻吩作為開創(chuàng)性CPs，雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電荷密度和場(chǎng)效應(yīng)遷移率均低于無機(jī)基非晶硅（A-Si）的CPs，例如PBTTT，N2200等，但是在成本上毫無競(jìng)爭(zhēng)力，因此，人們將目光放在其他方面：進(jìn)一步優(yōu)化大面積性能均勻性以及與普通工業(yè)制造工藝的兼容性，E Ink, AUO, Flexenable等公司正在朝著這個(gè)方向努力。另一個(gè)應(yīng)用是“印刷互補(bǔ)電路”，以驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的壓力/氣體/溫度傳感器和射頻識(shí)別標(biāo)識(shí)，2019年市場(chǎng)價(jià)值約2000億美元，但是離商業(yè)化道路仍有一段距離，根本原因是缺少可靠的打印或打印傳輸制造工具，而上述手段是降低成本的關(guān)鍵，但是沒有一家成熟的公司投資與這種類型的設(shè)施。
最后提及的技術(shù)應(yīng)用是OLED，到2025年，OLED在智能手機(jī)（三星、蘋果）和電視（LG）市場(chǎng)將增長(zhǎng)到3000億美元以上，但是對(duì)材料的性能、制造復(fù)雜性和成本要求很高，這也是目前需要克服的幾個(gè)因素。
從而言之，對(duì)于CPs的商業(yè)應(yīng)用，大部分技術(shù)在“成本降低”這點(diǎn)上摔了跤。
導(dǎo)電聚合物理論研究進(jìn)展：
高效傳輸和耦合離子和電子電荷材料是推動(dòng)下一代生物電子、光電子和能源儲(chǔ)存設(shè)備的技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵。美國西北大學(xué)的Jonathan Rivnay等人將有機(jī)混合離子-電子導(dǎo)體（OMIECS）的設(shè)計(jì)和研究的關(guān)鍵進(jìn)展進(jìn)行整理報(bào)道，OMIECS是一種多元的軟綜合可調(diào)諧混合導(dǎo)體，由于離子和電子之間的相互作用以及耦合的傳輸特性，OMIECS要求對(duì)僅支持電子或離子過程的有機(jī)薄膜和膜的研究進(jìn)行深入理解。綜述從“OMIEC材料類別”“OMIEC材料發(fā)展”“OMIEC材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系”。作者認(rèn)為，目前“OMIECS材料的設(shè)計(jì)和處理”與“結(jié)構(gòu)”的關(guān)系認(rèn)知已達(dá)到成熟水平，但是“電解液選擇”與“結(jié)構(gòu)”關(guān)系的研究仍處于落后水平，應(yīng)該將重點(diǎn)放在探究“電解液選擇”上。
OMIEC材料類別
參考文獻(xiàn)：
Organic mixed ionic–electronic conductors
原文信息：
DOI：10.1038/s41563-019-0435-z
為了更好地改善共軛聚合物和分子半導(dǎo)體的電荷傳輸性質(zhì)和載流子遷移率，以期實(shí)現(xiàn)共軛聚合物應(yīng)用更深入地開展與商業(yè)化，英國劍橋大學(xué)的Henning Sirringhaus從“高遷移率范德華鍵合半導(dǎo)體中電荷傳輸”這個(gè)角度總結(jié)了一篇綜述，帶領(lǐng)大家深入了解分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系以及基礎(chǔ)電荷傳輸物理學(xué)。綜述從“晶體分子半導(dǎo)體的傳輸物理學(xué)”“低無序共軛聚合物的電荷傳輸”以及“展望”3大模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹，為從事相關(guān)專業(yè)方向的科研人員提供很好的理論基礎(chǔ)。
共軛聚合物中電荷傳輸?shù)奶卣?/p>
參考文獻(xiàn)：
Chargetransport in?high-mobility conjugated polymers and molecular semiconductors
原文信息：
DOI:?10.1038/s41563-020-0647-2
在有機(jī)（光電）電子和電化學(xué)器件中，有機(jī)半導(dǎo)體的摻雜至關(guān)重要，通常是將異質(zhì)摻雜劑添加到聚合物本體中實(shí)現(xiàn)，但是由于摻雜劑的升華或聚集，常常導(dǎo)致較差的穩(wěn)定性和性能；而在小分子給體-受體系統(tǒng)中，電荷轉(zhuǎn)移可產(chǎn)生高而穩(wěn)定的電導(dǎo)率，這是全共軛聚合物系統(tǒng)尚未解決的問題。克林平大學(xué)的Simone Fabiano、Magnus Berggren等人報(bào)道了全聚合物給體-受體異質(zhì)結(jié)中的基態(tài)電子轉(zhuǎn)移，將低電離能聚合物與高電子親和性對(duì)應(yīng)物結(jié)合，得到的導(dǎo)電界面電阻率值大大降低（比通常低5~6個(gè)數(shù)量級(jí)），并將概念轉(zhuǎn)換為“三維體異質(zhì)結(jié)”，為電活性復(fù)合材料在熱電荷可穿戴電子產(chǎn)品中的潛在應(yīng)用提供希望。
全聚合物D–A異質(zhì)結(jié)的能量學(xué)
參考文獻(xiàn)：
Ground-stateelectron?transfer in all-polymer donor–acceptor heterojunctions
原文信息：
DOI:?10.1038/s41563-020-0647-2
導(dǎo)電聚合物在生物電子等其他學(xué)科領(lǐng)域的交叉應(yīng)用：
斯坦福大學(xué)的Alberto Salleo、荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的Yoeri van de Burgt和意大利技術(shù)研究院的Francesca Santoro團(tuán)隊(duì)利用聚(3，4-乙基二氧噻吩)和聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)作為導(dǎo)電通道的電化學(xué)柵極晶體管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)突觸的連接，并根據(jù)神經(jīng)信號(hào)對(duì)突觸權(quán)重（指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)系的強(qiáng)度或幅度）進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)突觸前神經(jīng)元分泌神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)，人造晶體管突觸后神經(jīng)元根據(jù)神經(jīng)遞質(zhì)在柵極表面的附著/離去狀態(tài)改變電導(dǎo)率，精確地模仿了人類神經(jīng)元在神經(jīng)遞質(zhì)作用下的長(zhǎng)期改變，以進(jìn)行神經(jīng)遞質(zhì)的電化學(xué)檢測(cè)。而到目前為止，神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)僅限于以正確縮放的模擬電信號(hào)形式接收輸入數(shù)據(jù)，因此，該項(xiàng)工作克服了之前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于軟件算法的不完整性，為人工神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合鋪平了道路。
多巴胺介導(dǎo)的有機(jī)神經(jīng)形態(tài)裝置的設(shè)計(jì)和性能
參考文獻(xiàn)：
A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediatedplasticity
原文信息：
DOI:?10.1038/s41563-020-0703-y
05
阿卜杜拉國王科技大學(xué)的SahikaInal 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種n型共軛聚合物與氧化還原酶的集成OECT傳感器，它可以無限期地由葡萄糖等綠色燃料產(chǎn)能，并且其供電性會(huì)隨溶液中葡萄糖含量成比例增長(zhǎng)以及超過30天的穩(wěn)定性，因此可以持續(xù)檢測(cè)血糖水平，對(duì)于糖尿病的早期診斷至關(guān)重要；更重要的是，不同于之前的生物信號(hào)傳感器，OECT傳感器即使放大微弱的生物信號(hào)，傳感器電路也不會(huì)變得復(fù)雜，該成果的發(fā)明有助于依靠人體產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物運(yùn)行的自供電微米級(jí)傳感器和執(zhí)行器的技術(shù)進(jìn)步。
全聚合物生物燃料電池的性能
參考文獻(xiàn)：
Biofuel poweredglucose detection in bodily fluids with an n-type conjugated polymer
原文信息：
DOI：10.1038/s41563-019-0556-4
06
美國紐約哥倫比亞大學(xué)的DionKhodagholy與Jennifer N. Gelinas團(tuán)隊(duì)基于可逆氧化還原反應(yīng)和導(dǎo)電聚合物，設(shè)計(jì)出一種增強(qiáng)模式的內(nèi)部離子門控有機(jī)電化學(xué)晶體管（e-IGT），解決了因缺乏合適的材料和晶體管結(jié)構(gòu)而限制了在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定交互中的應(yīng)用，并滿足人們對(duì)生物電子設(shè)備“快速且敏感”的要求，與神經(jīng)組織產(chǎn)生快速、低振幅信號(hào)相互作用，時(shí)空分辨率可以與單個(gè)神經(jīng)元媲美。
電子e-IGT在寬頻率和振幅范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電生理信號(hào)采集
參考文獻(xiàn)：
Enhancement-modeion-based transistor as a comprehensive interface and real-time processing unitfor in vivo electrophysiology
文獻(xiàn)信息：
DOI:?10.1038/s41563-020-0638-3
07
阿卜杜拉國王科技大學(xué)JanKosco和Iain McCulloch團(tuán)隊(duì)在有機(jī)納米粒子（NPs）中加入給體聚合物(PTB7-Th)與非富勒烯受體（EH-IDTBR）之間摻入異質(zhì)結(jié)，從不利的核-殼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|更緊密的混合共混物，這大大提高了NPs內(nèi)部電荷的生成，從而使催化活性大大增強(qiáng)（增加一個(gè)數(shù)量級(jí)）；解決了單一有機(jī)半導(dǎo)體形成的光催化劑催化活性低下的問題；在350~800 nm光照下，光催化劑的H2釋放率達(dá)到60,000 mmolh?1?g?1，在最大太陽光子通量范圍內(nèi)，外部量子效率超過6%。
材料與能量水平
參考文獻(xiàn)：
Enhanced photocatalytic?hydrogen?evolution from organic semiconductor heterojunctionnanoparticles
文獻(xiàn)信息：
DOI:?10.1038/s41563-019-0591-1
[小結(jié)]
導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)賦予了共軛聚合物不可思議的吸引力，1977年它被化學(xué)家、物理學(xué)家?guī)У竭@個(gè)世上，大放異彩，現(xiàn)在已然成為更多領(lǐng)域?qū)I(yè)者的寵兒，人類無限的智慧帶來的是一場(chǎng)又一場(chǎng)變革與突破；在商業(yè)化領(lǐng)域中，抗靜電涂料、有機(jī)發(fā)光板、柔性光伏組件等是目前商業(yè)化較為成熟的應(yīng)用，很多老牌公司已投入巨資，創(chuàng)建更多的公司，以期實(shí)驗(yàn)CPs應(yīng)用的商業(yè)化；在植入式生物電子學(xué)、生物化學(xué)傳感器、光催化等領(lǐng)域也具有優(yōu)勢(shì)。讓我們期待這樣的交叉合作是否會(huì)帶來新的突破？在未來的某一年，是否會(huì)成為新諾貝爾獎(jiǎng)的最佳候選人？
