共轭高分子作为“第四代高分子”，通过与有机化学、超分子化学、能源科学、信息科学、半导体及固体物理等学科前沿领域的交叉与融合，为这些学科发展提供了新的机遇。要充分发挥共轭高分子功能特性在这些领域中的导向作用，就需从电子结构、化学结构、链结构和大分子聚集态结构四个层次对其基础物性展开深入研究，共轭高分子的链有序化则构成了这些研究的逻辑前提。与此同时，共轭高分子的产业应用也要求其必须实现有序化，从而突破材料稳定性低、器件一致性差的瓶颈。而链有序化一直以来就是高分子领域最大的挑战之一。

在这一背景下，中国科学院理化技术研究所薛面起研究员团队，围绕共轭高分子（尤其是传统导电高分子）的链有序化，开展从方法开发、机理认识、物性调控到应用探索的系列研究，为导电高分子材料领域提供重要支撑与理论依据。针对分子链有序性难精准调控的核心难题，团队提出并完善了纳米限域聚合、外延聚合和界面聚合等多元策略，实现了导电高分子的结构有序性与器件性能的显著提升。

纳米限域聚合方面，团队开发多种模板辅助原位聚合技术，通过不同软、硬模板构筑，实现对聚合反应空间限域以抑制高分子链无序扩展与缠结（图1a）。外延聚合方面，团队发展出多种模板诱导外延聚合方法，实现了高分子链有序化。以原位无溶剂外延聚合为例，利用石墨烯晶格匹配与强π-π相互作用，实现了聚吡咯分子长程有序生长，有效提升了其链规整性（图1b）。界面聚合方面，团队基于多相界面微环境调控，开发出多条聚合路径。基于受控准液体层技术，在冰表面形成纳米尺度自调控界面，合成出二维聚苯胺薄膜（图1c）；借鉴仿生矿化机制构建固液界面有序聚合，实现了大面积、高质量有序导电高分子纳米薄膜的可控制备。

图1. 有序导电高分子合成策略示意图

基于上述有序导电高分子可控制备策略，团队在分子尺度上实现了导电高分子材料的精确结构设计、制备、调控和导电机制解析，为其在高性能器件和先进智能材料领域的应用提供了材料基础和理论依据。在传感领域，团队通过提升高分子链有序性，促进载流子高效输运，从而提升传感器的灵敏度、选择性和稳定性（图2a）。在距离/压力传感方面，通过引入半刚性高有序导电高分子，显著提升了材料机械强度与器件灵敏度（图2b）。在热敏传感方面，团队通过原位无溶剂聚合在多类基底上制备出高度有序纳米薄膜。这些薄膜材料均表现出优异的热响应特性，其有序结构显著提升了材料的载流子热激活输运效率，实现了超高的温度分辨率与灵敏度。

图2. 有序导电高分子在传感领域的应用

在新能源领域，二维有序导电高分子的引入在提高电子和离子传输效率的同时，可有效缓解充放电过程中电极材料的体积膨胀（图3a和b）。在金属负极方面，采用双层有序二维导电高分子薄膜作为铁负极材料的保护层，可以促进铁离子均匀沉积（图3c和d），显著提升电池循环寿命和倍率性能（图3e）。

图3. 有序导电高分子在新能源领域的应用

在光热转化领域，团队开发出具有高光热转化性能的有序导电高分子复合材料，大幅提升了材料在可见光和近红外区域的宽带吸收能力，并显著提高了其载流子迁移率与热导率，使其光能向热能的转化效率明显优于传统无序体系（图4）。

图4. 有序导电高分子在光热转化领域的应用

相关研究成果对阐明导电高分子本质，设计并构筑高性能导电高分子器件以及推动导电高分子产业应用有着重要意义，在一定程度上促进了高分子学科的发展。近期团队受邀就相关成果在Accounts of Materials Research杂志上发表题为“Highly Ordered Conducting Polymers: Fabrication Strategies and Applications”的个人综述（personal review），论文的通讯作者为理化所薛面起研究员。研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院以及中国科学院理化技术研究所的大力支持。

文章链接: https://doi.org/10.1021/accountsmr.5c00136