線性導電聚合物顯示出彈道傳輸，這是由移動載流子沿聚合物鏈移動造成的，而由于分子間有序和電子耦合的缺乏，在擴展維度（即聚合物鏈或聚合物層之間）的導電仍然很弱。

2025年2月5日，德國德累斯頓工業(yè)大學的馮新亮院士、董人豪、Thomas Heine和西班牙巴斯克基金會的Rainer Hillenbrand在國際頂級期刊Nature發(fā)表題為《Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity》的研究論文，Tao Zhang、Shu Chen、Petko St. Petkov、Peng Zhang、Haoyuan Qi、Nguyen Ngan Nguyen為論文共同第一作者，馮新亮院士、董人豪、Thomas Heine、Rainer Hillenbrand為論文共同通訊作者。

馮新亮，德國德累斯頓工業(yè)大學首席教授，上海交通大學化學化工學院特聘教授，德國馬普高分子研究所杰出課題組組長，歐洲科學院院士（2019年，39歲），德國工程院院士（2021），德國科學院Leopoldina化學部院士（2024）（最年輕的“三院”院士之一）。

1980年出生，2001年本科畢業(yè)于中國地質大學（武漢），2004年獲得上海交通大學碩士學位，2008年獲得德國馬普高分子研究所博士學位。2007年任德國馬普高分子研究所課題組組長，2011年任上海交通大學化學化工學院特聘教授，2012年任德國馬普高分子研究所杰出課題組組長?，F(xiàn)擔任德國德累斯頓工業(yè)大學首席教授，也是在德國獲得化學學科終身教職的華人第一人。

馮新亮院士目前的研究領域包括新型聚合物的合成方法，有機和聚合物合成，界面化學，π共軛體系的超分子化學，自下而上合成碳納米結構和石墨烯納米帶，有機二維晶體，包括二維（超分子）聚合物，二維共軛聚合物和用于光電子，自旋電子學，分子量子和計算器件的二維共軛金屬有機框架，二維晶體的電化學剝離，石墨烯和二維材料的能量存儲和轉換，新能源器件和技術。研究成果在國際學術界產生了重要影響，在Nature、Science及其子刊等期刊上發(fā)表論文700余篇，總引用量超過12萬次。

董人豪，德國德累斯頓工業(yè)大學課題組長&香港大學副教授。2008年和2013年獲得山東大學學士和博士學位，2013年赴德國馬克思普朗克聚合物研究所（美因茨）開展博士后工作，2014年獲得洪堡學者稱號，2015-2017年在德國德累斯頓工業(yè)大學任研究助理，2017年起先后擔任德國德累斯頓工業(yè)大學課題組長、獨立PI、青年研究員和博士生導師。2021年于山東大學建立功能界面與大分子材料課題組（FIMM）。現(xiàn)同時任香港大學副教授。

董人豪的研究興趣集中于有機二維材料，包括（1）開發(fā)界面輔助合成方法；（2）拓撲π共軛分子的設計和合成；（3）2D共軛聚合物（2D聚合物/COF）：電子和能量的化學和功能；（4）Moftronics：用于光電，磁性，電催化，能源存儲設備和傳感的導電2D MOF；（5）新型的范德華和外側異質結構以及外來的物理和化學特性。

在本文中，作者報道了一種多層堆疊的二維聚苯胺（2DPANI）晶體，該晶體具有高電導率的金屬面外電荷傳輸。

該材料由圓柱π陣列組成，層間距離為3.59?，并由交織的聚苯胺鏈形成長程有序的周期性菱形晶格。電子自旋共振（ESR）譜揭示了2DPANI晶格中的強電子離域態(tài)。

第一性原理計算表明，擴展二維共軛體系、范德華作用致密層間堆疊及Cl^?離子橋聯(lián)協(xié)同作用，促進了2DPANI中的強面外電子耦合效應。

為評估局部光學電導率，作者使用太赫茲和紅外納米光譜揭示了具有紅外等離子體頻率和約200 S cm^-1的外推局部直流電導率的Drude型導電性。導電原子力顯微鏡（c-AFM）測得面外電導率異常高，約為15 S cm^-1。

基于垂直和橫向微設備的電傳輸測試揭示了相當高的面外（約7 S cm^-1）和面內電導率（大約16 S cm^–1）。垂直微設備進一步證實，電阻隨著溫度降低呈單調下降趨勢，電導率增加，這表明了獨特的面外金屬態(tài)輸運行為。

通過使用這種多層堆疊的2D導電聚合物設計，作者預測可以實現(xiàn)超越面內相互作用的強電子耦合，可能達到3D金屬導電性。

圖1：2DPAN的合成過程和分子結構示意圖

圖2：2DPANI晶體的形貌和結構表征

圖3：用ESR和DFT計算研究了2DPANI的電子性質

圖4：2DPANI的THz和IR納米成像和納米光譜

綜上，作者報道了一種多層堆疊的二維聚苯胺（2DPANI）晶體，該材料展現(xiàn)出高電導率的金屬面外電荷輸運特性。研究團隊通過表面合成技術制備了這種材料，并對其電荷輸運特性進行了系統(tǒng)研究。

研究發(fā)現(xiàn)，2DPANI晶體具有長程有序的菱形晶格結構，層間距為3.59 ?，并且通過Cl^?離子橋聯(lián)協(xié)同作用實現(xiàn)了強面外電子耦合。實驗表明，該材料在面外方向的電導率達到約15 S cm^-1，且表現(xiàn)出隨溫度降低而電導率增加的金屬態(tài)輸運行為。此外，通過太赫茲和紅外納米光譜學測量，推導出其局部直流電導率約為200 S cm^-1。

該研究突破了傳統(tǒng)導電聚合物在層間傳輸能力弱的限制，首次實現(xiàn)了導電聚合物在3D方向上的金屬態(tài)電荷輸運。該發(fā)現(xiàn)為理解導電聚合物的電荷輸運機制提供了新的視角，并為開發(fā)具有3D金屬導電性的有機材料奠定了基礎。

這種具有金屬輸運特性的2D導電聚合物有望在有機電子器件、柔性電子、傳感器和能源存儲等領域發(fā)揮重要作用。其獨特的3D導電性使其在高性能電子器件的設計和制造中具有廣闊的應用前景，例如用于制造高性能的有機晶體管、透明電極和柔性電路等。

Zhang, T., Chen, S., Petkov, P.S.?et al.?Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity.?Nature?(2025).