塑料革命 呼之欲出

照片来源:尼克·斯潘塞/自然

赫尔曼·施陶丁格是和平主义者，但他必须赢得这场战争。1920年，德国化学家提出聚合物(包括橡胶和纤维素在内的多种化合物)由相似的长链小分子组成，这些小分子通过强化学键连接在一起。然而，绝大多数同事认为这种观点是不合理的，聚合物只是小分子的松散集合。史陶丁格拒绝让步，这引发了长达10年的争论。

最后，实验室数据证明他是正确的，这为他赢得了1953年诺贝尔化学奖。合成聚合物现在无处不在:去年，全世界生产了大约3亿吨人造聚合物。今天，从服装、颜料和包装到药物输送、3D打印和自我修复材料，施陶丁格所设想的分子链已经进入现代生活的各个方面。聚合物基复合材料甚至占波音最新787梦想飞机的一半。

那么，聚合物下一步将走向何方？最近，美国国家科学基金会每10年组织一次盛大的集会，试图观察哪些新领域正在出现，它也许能够对这个问题做出一些回答。

“总的趋势是，聚合物的应用将继续扩展到传统上没有发挥作用的领域。”明尼阿波利斯明尼苏达大学的分子化学家、《大分子》杂志的编辑蒂姆·洛奇说。聚合物科学在各个领域的发展推动了这种扩张。"现在，几乎每个化学部门都有聚合物研究人员."他说，聚合物前沿领域的研究在本质上是越来越跨学科的。

研究人员已经掌握了越来越多的制造聚合物链化学结构的技术，但是他们经常不能预测所生产的聚合物是否具有膜或药物输送系统所需的特殊特性。克服这些挑战需要更深入地了解聚合物的化学结构如何影响从纳米到大米的各个层面的物理特性。

永久聚合物

聚合物无处不在，这正是问题所在。“我们日常生活中使用的大多数聚合物来自石油产品。它们非常耐用，但它们的废物会持续存在。”明尼苏达大学可持续聚合物中心主任马克·希尔梅尔说。据报道，86%的塑料包装在一次使用后被丢弃，导致大量塑料垃圾堆积在水道和垃圾填埋场，释放的污染物危及野生动物的生存。

这就是为什么在过去的十年里，可再生资源和可生物降解聚合物的研究热潮爆发了。目前，市场上已经有基于天然淀粉的聚合物，此外还有由丙交酯或乳酸加工的合成聚丙交酯(PLA)，其可以在茶包和医用植入物中找到。

然而，希尔梅尔说，可持续聚合物占整个塑料市场的不到10%。障碍之一是他们的成本太高。另一个问题是，天然淀粉的单分子结构单元比石油化石氢碳化合物含有更多的氧原子。这将影响聚合物的特性，例如硬化材料，并且很难直接替代便宜且柔性的塑料，例如聚苯乙烯和聚乙烯。

其中一个选择是通过将聚乳酸等环境可持续聚合物与传统聚合物混合来强化它。然而，这种方法有明显的缺点，如降低了某些塑料的透明度。CSP研究人员通过添加5%的低价石油聚合物(含有一些水溶性成分)克服了这个问题。这些添加的物质形成球形结构，这可以显著提高聚乳酸的耐久性而不降低其透明度。

希尔梅尔的团队还生产了一种部分可回收的聚氨酯泡沫，可以用于许多产品，如绝缘体、座垫和垫圈。聚氨酯塑料由一种叫做聚酯(PMVL)的低成本聚合物组成，它基于经过编辑的细菌单分子。

将这种泡沫加热到200℃可以分解聚氨酯，提取的单体分子可以重复使用。然而，这些可持续的聚合物能否商业化还有待观察。"大多数时候，最大的挑战是大规模生产，这需要经济优势."希尔梅尔说。

好处在于薄膜。

在这个混合物的世界里，聚合物可以恢复秩序。聚合物膜已被用作分离气体、淡化海水和隔离燃料电池中分子的分子筛。洛奇说，他们将来会有更大的影响力。"有许多问题可以通过更好的膜来解决."

使用膜分离混合物比蒸馏消耗更少的能量。与使用洗涤器(通过化学反应捕获污染物的装置)相比，它还能节省更多的空间。由聚合物制成的薄膜不仅可以实现大规模低成本生产，而且覆盖面积大，不存在允许错误分子通过的结构缺陷。

能够分离气体的膜已经在工业中用于分离天然气中的氢气和二氧化碳。改进后的膜可以处理更困难的任务，例如区分类似的碳氢化合物丙烷和丙烯。化学强度更高的膜可以在更高的温度下工作，从烟气中去除二氧化碳。

奥斯汀德克萨斯大学的膜化学家本尼·弗里曼(Benny Freeman)希望改进天然气压裂项目的废水处理方法，在这种项目中，水在压力下被泵入岩石，使其破裂，释放出天然气。使用后，水将变得非常脏，标准过滤膜将被堵塞，因此水必须在很大的压力下才能通过，并且所用的膜也必须用化学药品清洗，这将缩短其使用寿命。

但是弗里曼找到了一种避免这个问题的方法:模仿让蛤蜊粘在岩石上的防水胶水，他在薄膜上添加了一层像蝉一样薄的仿生聚多巴胺薄膜。该小组已经将这些膜应用到美国海军的一些结构单元上，在倾倒之前清除船舱底部的含油污水。

聚合物前沿

广泛使用的聚合物如聚苯乙烯和聚乙烯在一个方面是单调的:它们重复相同的单体结构。与由编码基因组的四种单体组成的“四通道交响曲”相比，这种单调性特别乏味。与蛋白质的复杂杰作相比，它更单调。蛋白质是由23个氨基酸组成的复杂三维结构。

聚合物最具挑战性的前沿领域之一是将合成聚合物调整到同样的精度，以便化学家能够调整其产品的电子和物理特性。"在过去的五年里，它变得非常时尚。"法国斯特拉斯堡大学的大分子化学家江泽龙·鲁兹说。由该序列控制的聚合物可以包含预定序列的单体，以形成特定长度的纤维。

与传统的半导体技术相比，具有控制序列的聚合物也能以更紧凑和廉价的方式存储数据，每个单体分子代表1位信息。8月初，卢茨展示了一系列不同的聚合物纤维可以编码32位信息。

聚合物信息存储正在发展。今年4月，资助科学界高风险研究的美国机构——信息高级研究计划(IARPA)召集了来自生物技术、半导体和软件行业的专家参加了关于这一主题的研讨会。"这个领域充满活力，研究人员的数量也在增加。"国际癌症研究协会的技术顾问大卫·马克维茨帮助组织了这次研讨会，他说。

然而，这种方法仍然面临巨大的技术挑战，并且当前的合成技术仍然太慢和昂贵。聚合物前沿领域解决数据存储等诸多问题的关键在于研究更好的预测聚合物特性和调整相关产量的方法。这将需要许多方面的共同努力。"我们需要与物理学家、材料科学家和理论化学家合作."鲁兹说，“我们需要开辟一个新领域。”(晋南)

《中国科学报》(国际版，第三版，2016年8月30日)

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