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每块OLED屏幕背后的那位'导体'离世,享年90岁

白川英树1977年意外发现的导电塑料,成为东亚生产的每一块OLED显示屏和柔性电路的化学基石。他的离世(享年90岁)为该地区电子产业背后的材料科学翻开了新篇章。

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重塑电子工业的失误

1977年,东京工业大学,一名名叫白川英树(Hideki Shirakawa)的研究生正在指导一名外国学生合成聚乙炔。标准操作规程要求精确加入催化剂用量。而这名学生却多加了一千倍。出来的不是预期的碎棕粉末,而是一层像金属般闪闪发光的银白色薄膜,附着在反应容器内壁上。

这名学生大概以为自己把实验搞砸了。但白川英树——这位有着异于常人的实验直觉的研究者——不这么认为。他立刻意识到,一种聚合物正表现出它本不该有的行为:它在导电。

据《每日新闻》报道,白川英树于8月24日在横滨一家医院去世,享年90岁。葬礼私密举行,仅有家人出席。他大约一周前入院。他的离世,为那位因偶然发现而奠定了整个大洲电子工业化学根基的人,画上了句号。

从失败实验到诺贝尔奖

白川英树的聚乙炔薄膜,单从自身而言,并非现成的实用材料。它在空气中迅速降解,而且质脆。但它证明了一个化学家们曾认为不可能的原理:庞大一族有机聚合物——塑料——可以被改造成导体。

他将研究结果带给了艾伦·麦克迪尔米德(Alan MacDiarmid),后者时任宾夕法尼亚大学教授,早在多年前收到白川寄去的聚乙炔样品时,就独立观察到其中不寻常的性质。麦克迪尔米德邀请白川来到他的实验室。与物理学家艾伦·黑格(Alan Heeger)一起,他们用碘蒸气掺杂这种聚合物,测量到了导电性的剧增——经正确处理的聚乙炔,其导电能力足以与铜相媲美。

三人共同分享了2000年诺贝尔化学奖。当时白川英树64岁,已在同年新成立的筑波大学担任全职教授——他1979年加入该校,此前在东京工业大学当了多年讲师。从一个默默无闻的研究生导师,跃升为全球被引用次数最多的化学家之一,这条轨迹陡得惊人。

科学界现在将他们开创的这一领域称为"导电聚合物"或"合成金属"。它已成长为拥有数千名研究者、数百种商业化产品、应用范围远超最初三位研究者预见的学科。

每块OLED屏幕背后的隐形基础设施

白川英树工作最具深远意义的应用,恰恰是大多数人永远看不到的。

OLED显示屏——智能手机、电视和可穿戴设备上的屏幕——依赖集成了导电聚合物的薄膜晶体管背板来进行制造。同一类材料也出现在有机半导体中,正是它支撑着柔性及可卷曲显示屏技术,韩国和日本制造商在过去十年间竞相将这一技术商业化。三星显示、LG电子和JOLED(索尼与日本显示公司的合资企业)都依赖于白川英树帮助奠定的材料化学基础。

除显示屏之外,导电聚合物还被嵌入锂离子电池电极中,提升电荷转移效率和机械柔韧性。它们出现在几乎每台电子设备内部的电容器中。它们被用于半导体制造设备的抗静电涂层。它们正在被开发为电路板用可印刷油墨,有望在低成本电子器件中替代蚀刻铜线。

东亚垄断了所有这些产品的供应链。中国、韩国和日本占了全球OLED生产、电池制造和印刷电子研发的大多数份额。白川英树的聚乙炔研究,不管多么间接,构成了这一主导地位的基础。一位日本化学家的偶然的失误,成为整个产业带的知识产权基石。

讣告所遗漏的内容

日本报纸对白川英树逝世的报道,包括《每日新闻》的简报,遵循着一种熟悉的模板:日期、学位、诺贝尔奖引述、关于催化剂失误的小故事、以及关于家庭关系的结语。报道中简要提及白川英树与日本马拉松运动员高桥尚子有姻亲关系——2000年悉尼奥运会金牌得主——他们的祖父母是兄妹。这些报道内容准确。但它们拼凑不出一个答案:为什么这件事的重要性超出了大学化学系的围墙。

缺失的语境是结构性的。战后日本的科学声誉建立在物理学和工程学之上——晶体管、新干线、数码相机。化学,尤其是合成有机化学,始终是一个次要支柱。白川英树的诺贝尔奖之所以独特,正是因为它是来自材料发现而非药物突破,因为它跨越了化学与物理的边界,挑战了这一学科对自我的认知。它也来自一次事故——而日本注重精准和流程的体制文化,并不容易庆祝这类科学发现。

白川英树的诺贝尔奖来得恰逢2000年,正值日本经济低迷的尾声。这一时间点本身带有象征意义。日本已经不再生产定义1980年代的、具有全球主导地位的消费电子产品。导电聚合物及其带来的柔性显示产业,代表了一种不同形态的技术领导力——一种基于材料创新而非产品设计的领导力。而日本正越来越不自在地与韩国和中国共享这种领导力。

谁赢,谁输

没有公司持有这一基础发现的专利。那份诺贝尔级别的洞察——聚乙炔可以通过掺杂变为导电——早在几十年前就已进入公共领域。商业价值存在于配方、加工方法和器件集成架构中,而这些都由该地区各制造商分别申请了专利。

失去的主要是智力层面的。白川英树是原始发现者中最后几位在世者之一。他于2000年在筑波大学退休时已88岁,但仍活跃在公共政策评论中——2016年他接受《每日新闻》采访时谈到日本科研资金的走向,便是明证。他对基础研究应如何获得支持的看法——这些观点形成于日本大学享有更大自主权、政府投资不那么取决于即期商业回报的时代——如今将进入历史档案,而其见证者已不在人世。

导电聚合物产业本身将继续运转。韩国和中国的课题组正在积极研发用于有机光伏、生物传感器和可拉伸电子器件的下一代导电聚合物。材料化学界早已超越了聚乙炔——它对大多数应用而言过于不稳定。聚苯胺、聚吡咯和PEDOT:PSS已经接管了商用角色。但所有这一切,都始于白川英树用一个被污染的烧瓶和一双敏锐的眼睛所确立的概念验证。

金属光泽

白川英树1936年生于东京。父亲是一名军医,童年时期随家人住在台湾和满洲,1944年为躲避战时轰炸返回日本,定居于岐阜县高山市。他进入东京工业大学,1961年本科毕业,1966年获工程学博士学位。毕业后留校任讲师,正是在讲授一门合成课程时,那场催化剂失误发生了。

这个故事如今已跻身教科书和诺贝尔传记的标准叙事。而被标准讲述所扁平化的,是那一刻的不可思议:一位研究者,在一个实验室里,观察到一个异常样品,并决定去研究它,而非将其丢弃。那种判断——追随异常而非报告失败的意愿——才是这项发现中无法量化的部分。它同样不可继承。

白川英树留下了一片他亲手参与创建的科学领域,一个建立在他初始洞察之上的产业生态系统,以及一段将被学生们阅读的生平——而那些学生,永远不会亲眼见到那只改变了一切的反应容器侧壁上的银白色薄膜。