[科普中國(guó)]-合成金屬

合成金屬（synthetic metals） 一類不含金屬元素單質(zhì)但具有金屬導(dǎo)電性的化合物。目前研究較多的有聚乙炔、鈣鈦礦型氧化物、鎢青銅等。聚乙炔柔曲性好，可撓性好，可用作高容量塑料電池的大面積電極材料。過(guò)渡金屬一稀土類鈣鈦礦型氧化物可作燃料電池的氧電極，也可作汽車尾氣處理的轉(zhuǎn)化催化劑，LaNiO3對(duì)乙醇接觸時(shí)電阻值發(fā)生變化，可作乙醇傳感器。鎢青銅是一類MxWO3型化合物，其中M為氫、堿金屬、銀等，可作電致變色顯示器，也可作電池的陽(yáng)極材料。

合成金屬的定義最近接連不斷地研制成功許多這樣的化合物：它們完全不含金屬元素但確具有金屬的導(dǎo)電性。有的化合物是由碳，氫、氮、硫磺等構(gòu)成的有機(jī)化合物分子性晶體，人們稱它們?yōu)橛袡C(jī)金屬或分子性金屬；有的化合物是僅由氮和硫磺組成的無(wú)機(jī)高分子化合物晶體。另外，還有一種化合物是含有水銀，白金、鎳等的有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物。這些化合物統(tǒng)稱為合成金屬。

另一方面，正在大力研究TaS2、TiS2、NbSe3等許多過(guò)渡金屬硫族化合物。乍一看來(lái)，人們也許會(huì)認(rèn)為，這些化合物之間完全無(wú)關(guān)連，除金屬的電傳導(dǎo)性以外，沒(méi)有任何共同之處。但是如果研究一下這些化合物的物性，即可發(fā)現(xiàn)它們的性質(zhì)與普通的金屬不同，不具有各向同性，而是在某一個(gè)特定方向的性質(zhì)與其它方向比較有顯著的差異。一類化合物僅在特定的結(jié)晶軸方向上具有很高的電導(dǎo)率，另外一類化合物在特定的結(jié)晶面內(nèi)有很高的電導(dǎo)率。前者為一維（導(dǎo)電）材料，后者稱為二維（導(dǎo)電）材料，而普通金屬為三維（導(dǎo)電）材料。1

特征上述合成金屬還有一個(gè)共同點(diǎn)，這就是均屬于低維材料。雖然，稱為低維材料，但實(shí)際上從外形來(lái)看是占據(jù)三維空間的物質(zhì)。因此，從嚴(yán)格的定義來(lái)講，低維材料是不存在的。這些材料被稱為擬一維或低維物質(zhì)，只是在被合成之后，通過(guò)測(cè)量才發(fā)現(xiàn)它們有三維物質(zhì)中所沒(méi)有的新現(xiàn)象。

從理論上已經(jīng)預(yù)測(cè)到了這些現(xiàn)象。理論可與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，而且兩者具有密切關(guān)系的新現(xiàn)象正在繼續(xù)得到證明．并且發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的準(zhǔn)一維化合物的電導(dǎo)率象金屬一樣隨著溫度的降低而提高，但在某一溫度下電導(dǎo)率急劇下降，變成絕緣體。今天，把這種現(xiàn)象稱之為培葉爾斯（Peierls）轉(zhuǎn)移，但在1955年對(duì)準(zhǔn)一維化合物等還完全不了解的情況下，在培葉爾斯著的固體物理教科書中，把這種現(xiàn)象作為同一原于等間隔并列的一維晶格變形問(wèn)題加以論述。

一維化合物的特有現(xiàn)象是引起培葉爾斯轉(zhuǎn)移，其結(jié)果，產(chǎn)生電荷密度及晶格變形合而為一的長(zhǎng)周期起伏。這種起伏稱為電荷密度波（CWD），現(xiàn)正通過(guò)X射線和中子散射等實(shí)驗(yàn)手段，研究其存在和特性。

結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的有機(jī)高分子化合物聚乙炔，由于構(gòu)成鏈的每個(gè)碳原子都有一個(gè)冗電子，所以與一維電子系近似，但實(shí)際合成的聚乙炔，是室溫下就已產(chǎn)生培葉爾斯轉(zhuǎn)移的絕緣體或半導(dǎo)體。在聚乙炔中添加少量受主或施主雜質(zhì)（摻雜），就會(huì)引起電導(dǎo)率顯著的增加而向金屬轉(zhuǎn)移；這種現(xiàn)象在發(fā)現(xiàn)的初期，一般認(rèn)為聚乙炔按照與硅和鍺等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體一樣的機(jī)埋增加電導(dǎo)率，最近有人指出：出現(xiàn)的反式聚乙炔，具有二個(gè)簡(jiǎn)并化結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)生的非線型拓?fù)鋵W(xué)激勵(lì)也就是蘇立頓，有助于改善導(dǎo)電性及其它性質(zhì)。

盡管上述化合物具有合成金屬及低維材料的兩個(gè)共同點(diǎn)，但化合物種類繁多。1

合成金屬的種類最近由于對(duì)合成金屬研究的盛行，每年發(fā)現(xiàn)大量的具有各種特性的合成金屬，因此對(duì)于合成金屬的分類不是一成不變的。為了方便起見，安西等把其分成六類：（1）有機(jī)金屬；（2）高分子絡(luò)合物；（3）無(wú)機(jī)高分子；（4）白金絡(luò)合物；（5）水銀絡(luò)合物；（6）層間化合物。下面對(duì)其中的（1）和（2）作一介紹。

（1）有機(jī)金屬

具有特殊結(jié)晶結(jié)構(gòu)的有機(jī)電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物顯示出金屬的性質(zhì)，被稱為有機(jī)金屬。

有機(jī)電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物是容易供給電子的電子供給體分子與容易接受電子的電子受體分子之間由于電荷授受所生成的一種分子化合物。下圖列出了代表性的電子供給體和受體分子結(jié)構(gòu)。

（2）高分子絡(luò)合物

高分子絡(luò)合物是高分子帶電體與配對(duì)離子組成的復(fù)合體。近年來(lái)，其數(shù)目急驟增
加·這類高分予絡(luò)合物很多具有較好均等電懂，有的甚至與金冒差不多。代表性的導(dǎo)電
性高分子絡(luò)合物有聚乙炔、聚苯、聚苯硫醚等。2

合成金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（1）結(jié)構(gòu)

有機(jī)金屬，一般采取異向性大，均結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)決定了有機(jī)金屬的物理性質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如圖所示，為分離積層結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)電性高分子絡(luò)合物幾乎都是非晶體。添加AsF6的五元環(huán)具有如圖所示的分子結(jié)構(gòu)。

（2）導(dǎo)電性

有機(jī)金屬的導(dǎo)電性具有異向性，其導(dǎo)電率δRT在102s**·**cm-1左右。

高分子導(dǎo)電體不保持上述異向性，其傳導(dǎo)的電子沿著共軛體系移動(dòng)。當(dāng)令非晶體的高分子導(dǎo)電體的最大的導(dǎo)電率為103s**·cm-1，但如果使聚乙炔的通路成一個(gè)方向，并添加碘，則其導(dǎo)電率可以超過(guò)104s·cm-1（水銀的導(dǎo)電率為104s·**cm-1）。

（3）反射率

合成金屬的異向性也在反射率上很好地體現(xiàn)出來(lái)。作為有機(jī)金屬的TTF-TCNQ對(duì)于平行于導(dǎo)電率大的結(jié)晶軸的偏光顯示大的反射率。但對(duì)于垂直于此方向的偏光反射率小，并不依賴于波長(zhǎng)。2

應(yīng)用對(duì)于合成金屬，不但希望它具有優(yōu)異的特性，而且從經(jīng)濟(jì)性考慮，要求制造成本低，資源豐富。大多數(shù)金屬元素是稀少的，即便資源豐富，但要制取純金屬，也需要花費(fèi)很高的成本。聚乙炔等材料是由地球上大量存在、而且容易利用的碳和水（及若干摻雜劑）組成的高分子，其性質(zhì)與金屬和半導(dǎo)體相同。這種材料，對(duì)于將來(lái)金屬資源枯竭，具有極為重要的意義。因此，將其稱之為合成金屬也是非常合適的．另一方面，還有一類金屬化合物，例如鎢青銅，它既具有一般金屬的性質(zhì)，又兼有金屬所沒(méi)有的功能（例如離子擴(kuò)散功能等），其應(yīng)用價(jià)值是不能忽視的。這類金屬化合物就是可以稱之為合成金屬的材料群。

由于合成金屬的研究歷史相對(duì)而言不算長(zhǎng)，所以我們對(duì)合成金屬在工業(yè)上的應(yīng)用應(yīng)有一個(gè)不斷理解不斷深化的過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我們對(duì)電荷載體在合成金屬內(nèi)流動(dòng)的本質(zhì)將有更深刻的了解，從而可推動(dòng)我們對(duì)高導(dǎo)電的卟啉類化合物在生物體系內(nèi)作用的了解。TCNQ良好的接受電子的能力，已被設(shè)計(jì)用來(lái)研究極化頭在某些磷類脂（phospholipids）內(nèi)躍遷、測(cè)定與表征金屬氧化物用作催化劑的Donor性能、測(cè)定表面活性劑的臨界膠束濃度等等。如果合成金屬的超導(dǎo)溫度能夠達(dá)到比目前無(wú)機(jī)化合物還要高的溫度，那么它們?cè)诠I(yè)上的應(yīng)用前景將是十分寬闊的，它們將被用來(lái)制造高效的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、功率非常強(qiáng)大的電磁元件、輸出熱量極小的超級(jí)計(jì)算機(jī)的功能元件等等?？偠灾铣山饘俦貙⒂幸粋€(gè)美好的未來(lái)。33

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黎明 - 副教授 - 西南大學(xué)