最終，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)證明他是對(duì)的，這使他獲得了1953年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)在，合成聚合物已經(jīng)無(wú)處不在：去年，全球生產(chǎn)的人工聚合物約為3億噸。如今，從服裝、顏料和包裝到給藥、3D打印以及自我愈合材料，施陶丁格假設(shè)的分子鏈已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)代生活的方方面面。基于聚合物的復(fù)合材料甚至構(gòu)成了波音公司最新客機(jī) “夢(mèng)幻客機(jī)”787的一半材料。

　　那么，聚合物下一步將走向何方?近日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)組織了10年一次的盛會(huì)，設(shè)法觀察正在出現(xiàn)哪些新領(lǐng)域，它或可對(duì)該問(wèn)題作出一些回答。

　　“總體的趨勢(shì)是聚合物的應(yīng)用將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)張到傳統(tǒng)上它們并未發(fā)揮作用的領(lǐng)域。”明尼波利斯明尼蘇達(dá)大學(xué)分子化學(xué)家、《大分子》期刊編輯Tim Lodge說(shuō)。這種擴(kuò)張一直以來(lái)受到各領(lǐng)域聚合物科學(xué)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)。“現(xiàn)在，幾乎每個(gè)化學(xué)系都有聚合物研究的員工。”他說(shuō)，聚合物前沿領(lǐng)域的研究日益呈現(xiàn)跨學(xué)科性質(zhì)。

　　研究人員掌握的制作聚合物鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)的技術(shù)越來(lái)越多，但是他們經(jīng)常不能預(yù)測(cè)生產(chǎn)的聚合物是否擁有膜或是給藥系統(tǒng)所需要的專門特征。克服這些挑戰(zhàn)將需要對(duì)聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)如何影響從納米到米等各個(gè)層面的物理特征有更深入的了解。

　　永遠(yuǎn)的聚合物

　　聚合物存在于各個(gè)地方，這也正是問(wèn)題所在。“我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫拇蠖鄶?shù)聚合物來(lái)自于石油產(chǎn)物，它們很耐用，但其廢棄物也會(huì)持久存在。”明尼蘇達(dá)大學(xué)可持續(xù)聚合物中心主任Marc Hillmyer說(shuō)。據(jù)悉，86%的塑料包裝都在一次使用后被丟棄，使水道和填埋場(chǎng)積聚了大量塑料垃圾，釋放出的污染物危及野生動(dòng)物生存。

　　這正是過(guò)去10年可再生資源和易于生物降解的聚合物研究熱潮爆發(fā)的原因。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)可以看到基于天然淀粉的聚合物，此外還包括由丙交酯或乳酸加工的合成聚交酯，后者可見(jiàn)于茶葉袋和醫(yī)療埋植體。

　　但是，可持續(xù)聚合物占有的整體塑料市場(chǎng)份額不到10%，Hillmyer說(shuō)。其中的一個(gè)障礙是它們的成本過(guò)高;另一個(gè)問(wèn)題是天然淀粉的單分子體構(gòu)建模塊比石油化石氫碳化合物含有更多的氧原子。這會(huì)影響聚合物的特征，如使材料變硬，很難直接替換價(jià)格低廉、靈活的塑料，如聚苯乙烯和聚乙烯。

　　其中的一個(gè)選擇是通過(guò)將其與傳統(tǒng)聚合物混合，強(qiáng)化PLA等環(huán)境可持續(xù)性聚合物。但這種方式有著明顯的缺點(diǎn)，比如讓一些塑料的透明度降低。CSP研究人員通過(guò)在其中加入5%的一種低價(jià)石油聚合物克服了這一問(wèn)題。這些添加的物質(zhì)形成了球形的結(jié)構(gòu)，可使PLA的耐用性顯著提高，同時(shí)不降低其透明度。

　　Hillmyer的團(tuán)隊(duì)還制作了一種部分上可回收的聚氨酯泡沫塑料，該塑料可用于絕緣體、座墊以及墊圈等大量產(chǎn)品。這種聚氨酯塑料的成分包括一種叫作聚酯的低成本聚合物，該聚合物以經(jīng)過(guò)編輯的細(xì)菌單分子為基礎(chǔ)。

　　將這種泡沫塑料加熱到200℃，就能使聚氨酯分解，萃取出的單體分子可重新利用。然而，這些可持續(xù)性的聚合物能否商業(yè)化仍要拭目以待。“很多時(shí)候，最大的挑戰(zhàn)就是大規(guī)模生產(chǎn)，這需要有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。”Hillmyer說(shuō)。

　　利益在膜中

　　在這個(gè)混合物構(gòu)成的世界中，聚合物能夠恢復(fù)一定秩序。聚合物膜已經(jīng)能夠用作分子“篩子”分離氣體、海水脫鹽以及讓燃料細(xì)胞內(nèi)的分子保持隔離。它們?cè)谖磥?lái)將會(huì)有更大影響，Lodge說(shuō)。“有很多問(wèn)題都能夠通過(guò)更好的膜得到解決。”

　　利用膜分離混合物比蒸餾法耗費(fèi)的能量低得多。它同樣可以比利用洗滌器節(jié)省更多空間。利用聚合物制成的膜不僅可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模廉價(jià)生產(chǎn)，而且能覆蓋大范圍區(qū)域，并且不具有讓錯(cuò)誤分子通過(guò)的結(jié)構(gòu)性缺陷。

　　可分離氣體的膜已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)，可分離天然氣中的氫和二氧化碳。經(jīng)過(guò)改善后的膜可以應(yīng)對(duì)更加棘手的任務(wù)，比如分辨類似的碳?xì)浠衔锉楹捅；瘜W(xué)上更加強(qiáng)大的膜能夠在更高的溫度下操作，從而去除煙道氣中的二氧化碳。

　　得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校膜化學(xué)家Benny Freeman希望改善天然氣壓裂項(xiàng)目的廢水處理方法，這些項(xiàng)目中的水通過(guò)壓力被灌入巖石內(nèi)使其裂開(kāi)，從而釋放出天然氣。經(jīng)過(guò)使用后的水會(huì)變得很臟，標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)濾膜很塊就會(huì)被阻塞，因此水必須處于極大壓力下才能通過(guò)，而所用的膜也必須用化學(xué)物質(zhì)清理，這會(huì)使其壽命縮短。

　　但是Freeman發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可以回避這一問(wèn)題的方法：模仿讓蚌黏附在巖石上的防水膠，在膜上加一層薄如蟬翼的仿生聚多巴胺膜表層。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將這些膜用于美國(guó)海軍的一些構(gòu)造單元，從而在傾倒船艙底部的含油污水前先對(duì)其進(jìn)行凈化。

　　聚合物前沿

　　廣泛使用的聚合物如聚苯乙烯和聚乙烯在一個(gè)方面可謂單調(diào)至極：它們會(huì)重復(fù)同樣的單體結(jié)構(gòu)。這種單調(diào)性與DNA的“四聲道交響樂(lè)”相比顯得尤其乏味，后者由4個(gè)單體編碼基因組;它與蛋白質(zhì)的復(fù)雜杰作相比則更為單調(diào)，一個(gè)蛋白質(zhì)是由23種氨基酸形成的復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。

　　聚合物最具挑戰(zhàn)性的一個(gè)前沿是將合成聚合物以同樣的精準(zhǔn)度剪裁，這樣化學(xué)家就能調(diào)整其產(chǎn)品的電子和物理特征。“過(guò)去5年，它已經(jīng)變得非常時(shí)髦。”法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)大分子化學(xué)家Jean-Francois Lutz說(shuō)。由序列控制的聚合物能夠以預(yù)定的順序包含單體，形成特定長(zhǎng)度的纖維。

　　與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)相比，控制序列的聚合物還可以通過(guò)更加緊湊、價(jià)格低廉的方式儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，每個(gè)單體分子代表1比特信息。8月初，Lutz展示了一系列不同的聚合物纖維能夠編碼32比特的信息。

　　聚合物信息儲(chǔ)存正在蓄力發(fā)展。今年4月，美國(guó)資助科學(xué)界高風(fēng)險(xiǎn)研究的機(jī)構(gòu)——情報(bào)先進(jìn)研究計(jì)劃署召集生物技術(shù)、半導(dǎo)體以及軟件行業(yè)的專家參加該主題研討會(huì)。“這一領(lǐng)域生氣勃勃，研究人員隊(duì)伍日益壯大。”幫助組織該研討會(huì)的IARPA技術(shù)顧問(wèn)David Markowitz說(shuō)。

　　但這一方法仍面臨巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，當(dāng)前的合成技術(shù)仍然過(guò)于緩慢與昂貴。解決數(shù)據(jù)儲(chǔ)存以及聚合物前沿領(lǐng)域許多其他問(wèn)題的關(guān)鍵在于，研究更好的方法預(yù)測(cè)聚合物的特性以及調(diào)整相關(guān)生產(chǎn)。這將需要多方合力。“我們需要與物理學(xué)家、材料學(xué)家以及理論化學(xué)家合作。”Lutz說(shuō)，“我們需要開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的領(lǐng)域。”

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