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 聚合物材料幾乎滲透到現代技術的各個方面。柔性與輕質的高分子材料是可穿戴傳感器、軟體機器人和3D打印等先進技術發展的前提。然而，聚合物材料被認為是絕熱體，低的熱導率（0.2 W/m•K）阻礙了它們在電子設備、能源等領域的應用。當前，金屬和陶瓷仍然是主要的熱導體。正如本征型導電高分子的發現，在柔性顯示、太陽能電池和可穿戴生物傳感器等領域發揮著了重要的應用，本征型導熱高分子的發展將會在下一代電子、光電和能源設備等領域中開辟一系列重要應用。

結構的無序和弱的分子間相互作用是導致聚合物材料低熱導率的主要因素。當前領域內的研究主要都局限在單一提高聚合物分子內相互作用以提高聲子沿著分子鏈方向的傳輸效率，或單一提高聚合物分子間的相互作用以提高聲子在分子鏈間的傳輸效率。這些方法需要特殊的制備過程，料的熱率呈現各向異性，在實際應用中難以保證穩定性和可靠性。通過分子工程同時提高聚合物分子內和分子間的相互作用是提高聚合物的熱導率長期的挑戰，是實現有效的各向同性熱傳輸性能的關鍵。

國際頂尖期刊Science Advances報道了MIT陳剛院士課題組通過自下而上的氧化化學氣相沉積（oCVD），利用沿著聚合物伸長鏈方向強的C=C共價鍵和分子鏈間強的π-π堆疊非共價鍵相互作用，首次實現了共軛聚合物薄膜（聚（3-己基噻吩））的高熱導率。同時存在的這兩種相互作用實現了2.2 W/m•K的室溫熱導率，是傳統聚合物的10倍。采用該無溶劑的oCVD技術，可以在各種基材上生長輕質、柔韌的聚合物薄膜導熱體，同時具有電絕緣性和耐腐蝕性。

圖1. oCVD合成過程、分子結構和薄膜形態。

共軛聚合物由于具有剛性的共軛主鏈和強的分子間π-π堆積相互作用，具有發展為熱導體的潛能。金剛石（~2000 W/m•K）和拉伸聚乙烯（~104 W/m•K）中的C-C單鍵是它們具有超高熱導率的關鍵。與C-C單鍵相比，共軛的C=C雙鍵強度幾乎是它的兩倍，因此有望顯著改善聚合物鏈方向上的聲子傳輸。而且，分子鏈間的π-π堆積相互作用是范德華力的10-100倍，可以增強聲子在聚合物鏈間的傳輸。但傳統的共軛聚合物表現出和非共軛聚合物類似的低熱導率（~0.2 W/m•K）。

研究者認為共軛聚合物分子鏈的扭曲和糾纏導致的強聲子散射是造成低熱導率的原因。陳剛團隊通過oCVD法在分子水平上調控聚（3-己基噻吩）的合成過程。使用低溫的基底吸附過量的氧化劑，過量的氧化劑既可以作為聚合物鏈增長的模板，也可在鏈增長的過程中對聚合物主鏈進行大量的氧化反應，顯著穩定鏈中的醌式結構—一個帶有剛性雙鍵的共軛鏈段連接兩個噻吩環，而不是傳統的可旋轉單鍵。這種醌式結構對于獲得高的熱導率至關重要，因為雙鍵和伸長的共軛結構保證了分子鏈的平面構型。這種平面構型的分子鏈能夠保證其通過π-π相互作用進行多重的有序自組裝堆疊。因此，通過oCVD實現了同時具有剛性共軛骨架和強鏈間π-π相互作用的聚（3-己基噻吩）的合成，獲得了創記錄的室溫最高熱導率。

圖2. 使用TDTR法得到的熱導率。

Yanfei Xu和Xiaoxue Wang博士研究生是該論文的共同第一作者，Karen K. Gleason和Gang Chen教授是該論文的共同通訊作者。