共軛高分子作為“第四代高分子”，通過與有機化學、超分子化學、能源科學、信息科學、半導體及固體物理等學科前沿領域的交叉與融合，為這些學科發展提供了新的機遇。要充分發揮共軛高分子功能特性在這些領域中的導向作用，就需從電子結構、化學結構、鏈結構和大分子聚集態結構四個層次對其基礎物性展開深入研究，共軛高分子的鏈有序化則構成了這些研究的邏輯前提。與此同時，共軛高分子的產業應用也要求其必須實現有序化，從而突破材料穩定性低、器件一致性差的瓶頸。而鏈有序化一直以來就是高分子領域最大的挑戰之一。

在這一背景下，中國科學院理化技術研究所薛面起研究員團隊，圍繞共軛高分子（尤其是傳統導電高分子）的鏈有序化，開展從方法開發、機理認識、物性調控到應用探索的系列研究，為導電高分子材料領域提供重要支撐與理論依據。針對分子鏈有序性難精準調控的核心難題，團隊提出并完善了納米限域聚合、外延聚合和界面聚合等多元策略，實現了導電高分子的結構有序性與器件性能的顯著提升。

納米限域聚合方面，團隊開發多種模板輔助原位聚合技術，通過不同軟、硬模板構筑，實現對聚合反應空間限域以抑制高分子鏈無序擴展與纏結（圖1a）。外延聚合方面，團隊發展出多種模板誘導外延聚合方法，實現了高分子鏈有序化。以原位無溶劑外延聚合為例，利用石墨烯晶格匹配與強π-π相互作用，實現了聚吡咯分子長程有序生長，有效提升了其鏈規整性（圖1b）。界面聚合方面，團隊基于多相界面微環境調控，開發出多條聚合路徑。基于受控準液體層技術，在冰表面形成納米尺度自調控界面，合成出二維聚苯胺薄膜（圖1c）；借鑒仿生礦化機制構建固液界面有序聚合，實現了大面積、高質量有序導電高分子納米薄膜的可控制備。

圖1. 有序導電高分子合成策略示意圖

基于上述有序導電高分子可控制備策略，團隊在分子尺度上實現了導電高分子材料的精確結構設計、制備、調控和導電機制解析，為其在高性能器件和先進智能材料領域的應用提供了材料基礎和理論依據。在傳感領域，團隊通過提升高分子鏈有序性，促進載流子高效輸運，從而提升傳感器的靈敏度、選擇性和穩定性（圖2a）。在距離/壓力傳感方面，通過引入半剛性高有序導電高分子，顯著提升了材料機械強度與器件靈敏度（圖2b）。在熱敏傳感方面，團隊通過原位無溶劑聚合在多類基底上制備出高度有序納米薄膜。這些薄膜材料均表現出優異的熱響應特性，其有序結構顯著提升了材料的載流子熱激活輸運效率，實現了超高的溫度分辨率與靈敏度。

圖2. 有序導電高分子在傳感領域的應用

在新能源領域，二維有序導電高分子的引入在提高電子和離子傳輸效率的同時，可有效緩解充放電過程中電極材料的體積膨脹（圖3a和b）。在金屬負極方面，采用雙層有序二維導電高分子薄膜作為鐵負極材料的保護層，可以促進鐵離子均勻沉積（圖3c和d），顯著提升電池循環壽命和倍率性能（圖3e）。

圖3. 有序導電高分子在新能源領域的應用

在光熱轉化領域，團隊開發出具有高光熱轉化性能的有序導電高分子復合材料，大幅提升了材料在可見光和近紅外區域的寬帶吸收能力，并顯著提高了其載流子遷移率與熱導率，使其光能向熱能的轉化效率明顯優于傳統無序體系（圖4）。

圖4. 有序導電高分子在光熱轉化領域的應用

相關研究成果對闡明導電高分子本質，設計并構筑高性能導電高分子器件以及推動導電高分子產業應用有著重要意義，在一定程度上促進了高分子學科的發展。近期團隊受邀就相關成果在Accounts of Materials Research雜志上發表題為“Highly Ordered Conducting Polymers: Fabrication Strategies and Applications”的個人綜述（personal review），論文的通訊作者為理化所薛面起研究員。研究工作得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院以及中國科學院理化技術研究所的大力支持。

文章鏈接: https://doi.org/10.1021/accountsmr.5c00136