Elemental sulfur enables a thione-mediated, non-radical polycondensation toward poly(benzodifurandione)

在柔性电子技术的领域中，科学家们长期以来一直在寻找一种既能像铜一样高效导电，又具备塑料般柔韧性的材料。虽然能够携带正电荷的材料在几十年前就已经趋于完善，但其对应的携带负电荷的材料在制造方面却一直难以攻克。这些负电荷载体对于构建平衡、高性能的电路至关重要，然而制造它们往往需要使用有毒化学品、极端条件，或者需要耗时数周且产生大量废弃物的纯化步骤。这一瓶颈使得最具前景的负电荷材料被困在微小的实验室样本中，无法达到实现可穿戴传感器或印刷电路等实际应用所需的规模。

现在，一支研究团队发现了一种打破这一僵局的方法，所使用的物质就像火柴头中的硫磺一样常见且无害。通过利用单质硫，他们开发出了一种制造特定高性能塑料的新方法，这种塑料被称为聚（苯并二呋喃二酮）（PBFDO），它以具有卓越的导电能力而闻名。这项突破在于一种化学工艺，它避免了对数周繁琐清洗或危险添加剂的需求。相反，研究人员将这种塑料的构建单元与硫混合在一个反应釜中，加热混合物，然后通过过滤获得一种即用型导电墨水。这种方法不仅生产出了具有创纪录电导率的材料，而且其过程安全、可扩展，且不含困扰以往方法的有毒副产物。

通往这一解决方案的旅程始于对现有塑料制造方式陷入两难境地的认识。那些能生产出最高质量、最高导电性材料的方法，要求产品必须在一种称为二甲基亚砜的溶剂中清洗数周以去除杂质，这一过程既缓慢又昂贵。其他方法虽然更快，但依赖于有毒金属或腐蚀性化学品，这使得大规模生产变得不安全。研究人员意识到，若要取得进展，他们需要一种来源丰富、无毒且能够在不留下有害残留物的情况下驱动反应的催化剂。于是，他们将注意力转向了单质硫——一种储量丰富且通常被认为无害的物质。

在实验中，团队将塑料的单体单元与硫在溶剂中混合并加热。他们发现，硫不仅仅是静止在那里；它积极参与了一场化学“舞蹈”，将这些构建单元连接成长链。至关重要的是，这个过程并不涉及通常难以控制的自由基反应中那种混乱的高能碰撞。相反，硫打开了其环状结构，形成了一个特定的中间体，使得构建单元能够以有序的方式结合在一起。这种非自由基路径是创造出高质量、无缺陷聚合物的关键，因为缺陷通常会降低电学性能。

随着链条的生长，硫还完成了第二个同样重要的任务。反应自然产生了少量的硫化氢和二甲基硫，这些气体充当了材料电学性能的内部助推器。这些掺杂剂自发地对塑料进行“掺杂”（doping），这一过程使材料充满了额外的电子，从而使其导电效率大幅提升。由于这些掺杂剂是在反应混合物内部生成的，最终产物在诞生时就已经处于高性能状态，从而消除了对单独且复杂掺杂步骤的需求。

研究人员在各种条件下测试了这种新方法，以寻找完美的平衡点。他们发现，仅需少量的硫就足以驱动整个反应，因为硫可以在化学循环中被回收利用。通过优化温度和浓度，他们获得了一种电导率为 2,059 西门子每厘米的材料，这一数值与此类塑料已记录的最佳结果相匹配。或许最令人印象深刻的是，粗糙的混合物仅需通过简单的过滤即可去除大颗粒，从而绕过了以往方法所需的数周透析过程。其结果是一种可以直接使用的深色导电墨水。

为了证明这种方法可以进行大规模应用，团队将生产规模从一个小试管扩大到了 500 毫升的批次，这是一个适合工业化生产的体积。即使在如此大的规模下，该材料仍保持了优异的导电性，平均超过 1,300 西门子每厘米。这种墨水在空气中可以稳定存在两个月而性能几乎没有损失，这是制造业的一项关键要求。随后，团队利用这种墨水制造出了工作的电子设备，包括将热能转化为电能的热电发生器，以及可以感知生物信号的有机电化学晶体管。这些设备的表现均达到了此类材料报道中的最高水平，证明了这种新的合成方法创造的不仅仅是一个理论上的奇迹，而是一种实用的、高性能的材料。

这项工作的意义不仅在于制造出更好的塑料。通过取代有毒催化剂并消除对高能耗纯化的需求，研究人员为大规模生产高性能负电荷电子器件开辟了一条道路。单质硫作为一种廉价且安全的材料，表明未来柔性电子技术可以建立在既环保又具备工业可行性的基础之上。这种对制造工艺简单而强大的调整，解决了长期存在的瓶颈，使先进、平衡的电子电路之承诺离现实更近了一步。