聚合物的應(yīng)用已經(jīng)滲透到現(xiàn)代生活的方方面面。目前，研究人員正在研究下一代聚合物的形式。1920年，德國(guó)化學(xué)家Hermann Staudinger提出了聚合物的概念——聚合物是由許多相同的小分子組成的長(zhǎng)鏈通過共價(jià)鍵連接而成的一大類化合物，包括橡膠以及纖維素等。但他的大部分同事都認(rèn)為這是徹頭徹尾的無稽之談，并認(rèn)為聚合物僅僅是小分子的松散聚集。Staudinger雖是一個(gè)和平主義者，但是這一次的爭(zhēng)斗，他拒絕做出讓步，并勢(shì)在必得。因此便引發(fā)了一場(chǎng)跨越十年的爭(zhēng)斗。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了Staudinger的正確性，他贏得了1953年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)今合成的聚合物無處不在，就去年一年的時(shí)間，整個(gè)世界就生產(chǎn)了近300萬噸。Staudinger所假設(shè)的分子鏈形成的聚合物已經(jīng)進(jìn)入到了現(xiàn)代生活的方方面面，從服裝、油漆、包裝到藥物運(yùn)輸，從3D打印到自修護(hù)材料，聚合物基復(fù)合材料甚至承擔(dān)了波音公司最新客機(jī)重量的一半。

    那么，聚合物的下一步將走向何方？本月，將會(huì)得到一些答案！由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)組織的10年一次的研討會(huì)上，科學(xué)家們將試圖探討某些新領(lǐng)域的出現(xiàn)。

    “總的趨勢(shì)仍舊是擴(kuò)大聚合物在非傳統(tǒng)應(yīng)用上的研究。”明尼阿波利斯大學(xué)化學(xué)家、大分子期刊編輯Tim Lodge說道，“這種擴(kuò)張一直被高分子科學(xué)的各個(gè)先進(jìn)領(lǐng)域所推動(dòng)。研究人員已經(jīng)開發(fā)出新的方法來合成和分析分子，模擬自然界中已發(fā)現(xiàn)的聚合物并發(fā)展理論模型。”與此同時(shí)，Lodge說：“大家對(duì)于科學(xué)的態(tài)度已經(jīng)有所改變，大學(xué)里人們不再拒絕接受聚合物科學(xué)是學(xué)術(shù)界實(shí)用的科學(xué)。幾乎現(xiàn)在每一個(gè)化學(xué)部門都有人在做聚合物材料，聚合物領(lǐng)域的前沿工作越來越多的涉及到跨學(xué)科領(lǐng)域研究。”

    研究人員能夠利用先進(jìn)的技術(shù)控制聚合物鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但通常他們并不能預(yù)測(cè)或者制備所需特殊性能的薄膜或藥物傳輸系統(tǒng)。面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，人們需要更深層次地理解在任何一個(gè)尺度上（從nm~m）聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)物理性質(zhì)的影響。

    永遠(yuǎn)的聚合物

    “聚合物無處不在，但這也是它潛在的問題。我們?cè)谌粘Ｉ钪惺褂玫拇蟛糠志酆衔锒际鞘偷南聦佼a(chǎn)品。雖然它們經(jīng)久耐用，但它們也因耐用而浪費(fèi)” ，明尼蘇達(dá)大學(xué)可持續(xù)聚合物（CSP）中心主Marc Hillmyer說道。據(jù)估計(jì)，86%的塑料包裝只使用了一次就被丟棄，浪費(fèi)后的垃圾流入河流或是填埋，釋放出的污染物將危害野生動(dòng)物。這就是為什么在過去的十年里，研究人員的興趣集中于可再生資源和易（無公害）生物降解領(lǐng)域。基于天然淀粉的合成聚乳酸已經(jīng)在市場(chǎng)中出現(xiàn)，它由丙交酯或生物來源的乳酸制成，并在茶葉袋、醫(yī)療植入物等產(chǎn)品中應(yīng)用。

    由聚乳酸（來源于植物淀粉，為圖中綠色部分）制成的可生物降解購(gòu)物袋

    Hillmyer說：“到目前為止，可持續(xù)聚合物占塑料市場(chǎng)總數(shù)仍然不到10％，其主要原因是成本太高。構(gòu)成天然聚合物的單體往往比石油中的烴類含有更多的氧原子，這會(huì)影響聚合物的屬性，從而使材料硬化。因此，天然聚合物難以取代像聚乙烯、聚丙烯之類價(jià)廉且具有柔性的材料。將天然高分子轉(zhuǎn)化為與之匹配的小分子需要經(jīng)歷一些非常復(fù)雜的化學(xué)過程”。

    一個(gè)替代的方法是通過利用常規(guī)聚合物共混來提高可持續(xù)聚合物（如聚乳酸）的韌性。但這個(gè)方法存在一個(gè)缺點(diǎn)：會(huì)降低一些聚合物的透明度。CSP的研究人員為了解決這個(gè)問題，他們添加了質(zhì)量比為5%的部分具有輸水功能，另一部分具有親水功能的石油衍生物，這些添加劑聚集在一起形成球狀結(jié)構(gòu)，使得聚乳酸更加堅(jiān)韌，卻沒有影響其透明性。

    Hillmyer的研究團(tuán)隊(duì)還制備了一些可回收的聚氨酯泡沫，它應(yīng)用在保溫、坐墊、墊片等地方。該聚氨酯配方包括低成本聚合物——聚（β-甲基-δ-戊內(nèi)酯）（PMVL, 改性后的細(xì)菌生產(chǎn)的單體）。加熱泡沫至200°C以上將聚氨酯分解，單體就可以被提取并再次使用。

    這些聚合物是否會(huì)進(jìn)行商業(yè)化還有待考察。通常情況下，最大的挑戰(zhàn)在于市場(chǎng)規(guī)模，這依賴于良好的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)。Hillmyer認(rèn)為，該領(lǐng)域需要建立通用的設(shè)計(jì)規(guī)則來預(yù)測(cè)單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)聚合反應(yīng)的速率，溫度和產(chǎn)率的影響，以及所產(chǎn)生的聚合物將如何與其他材料相互作用。

    一些研究人員正在尋求另外的途徑：他們并不是將生物衍生單體連接起來，而是在學(xué)習(xí)直接使用天然聚合物。例如，纖維素是由葡萄糖分子組成的鏈，反過來纖維素排列在一起，形成更粗更強(qiáng)的纖維，從而構(gòu)成植物堅(jiān)硬的細(xì)胞壁。在很多地方，纖維素鏈所組成的晶體的寬高達(dá)20 nm，長(zhǎng)高達(dá)幾百nm，這些纖維素可以從纖維素紙漿中進(jìn)行化學(xué)萃取。其支持者說，這些晶體可應(yīng)用于如強(qiáng)化復(fù)合材料、絕緣泡沫體、遞送藥物和提供組織修復(fù)的支架等方面。

    纖維素納米晶體和更長(zhǎng)的納米纖維現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行了商業(yè)化規(guī)模的生產(chǎn)。但是其商業(yè)應(yīng)用尚未超過增強(qiáng)紙或增流劑。瑞士弗里堡大學(xué)阿道夫梅克爾納米科學(xué)研究所所長(zhǎng)Christoph Weder表示，他們將采取更多的努力來降低纖維素的成本并展示可持續(xù)聚合物獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。“我們確實(shí)需要一份關(guān)于發(fā)展生物基聚合物的路線圖”，他說。

    聚合物薄膜

    在混亂的世界中，聚合物可以使其恢復(fù)一些秩序。聚合物膜作為分子篩已經(jīng)應(yīng)用于分離氣體、海水淡化、隔絕燃料電池內(nèi)部的分子。Lodge說：“聚合物膜將在未來發(fā)揮更大的影響，我們需要更好的聚合物膜來解決現(xiàn)實(shí)中各種各樣的問題。”

    使用膜分離混合物比蒸餾（其中液體被加熱到不同的溫度以蒸發(fā)其不同的組成成分）只需要少量能量；它也比使用洗滌器（其中的污染物由化學(xué)反應(yīng)捕集）少占用很多的空間。聚合物膜不僅便宜，而且沒有結(jié)構(gòu)缺陷，因此不會(huì)讓任何一個(gè)錯(cuò)誤的分子通過。

    工業(yè)上，氣體分離膜已用于分離氫氣和二氧化碳。改進(jìn)后的膜可以解決更加困難的問題，比如分離非常相似的丙烷和丙烯。嚴(yán)格來說，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的聚合物膜可以在高溫運(yùn)作的熱煙道氣中分離出二氧化碳。

    美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的膜化學(xué)家Benny Freeman希望提高水力壓裂（水被壓入巖石中致使巖石破裂從而釋放氣體）作業(yè)中廢水的處理的水平。當(dāng)水特別臟的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)過濾膜很快就被堵塞。所以必須再次對(duì)水加壓并且對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)殘留清洗。但Freeman給膜覆蓋了一層聚多巴胺輕薄涂層，模仿使用蚌附著巖石的防水膠來回避這個(gè)問題。在接近德克薩斯州沃思堡的壓裂水處理設(shè)施試點(diǎn)，水通過聚多巴胺涂層只需要原始一半的壓力，這有利于開發(fā)空間更小、效率更高的處理系統(tǒng)。目前，該團(tuán)隊(duì)已使用該膜建造美國(guó)海軍部隊(duì)，使船舶能夠在船傾倒之前凈化含油艙底水。

    在2015年12月，美國(guó)總統(tǒng)政府推出了“水的moonshot”計(jì)劃，以提高水資源的可持續(xù)發(fā)展，為了這次努力，美國(guó)能源部計(jì)劃在2017年建立海水淡化研究中心。Freeman 說道：“我們將看到聚合物在這應(yīng)用中的大幅度增加。”

    為了設(shè)計(jì)性能更好的淡水薄膜，研究人員需要預(yù)測(cè)因素，例如聚合物中帶電化學(xué)基團(tuán)的分布如何影響其對(duì)離子的滲透性。今年的早些時(shí)候，F(xiàn)reeman和他的同事發(fā)表了第一個(gè)模型，該模型能夠使化學(xué)家通過調(diào)整聚合物的化學(xué)取代基以及分子之間的交聯(lián)制備出具有特殊性能的聚合物膜。Freeman說：“我的使命，就是為了讓大家問各種各樣關(guān)于結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的問題，這才能真正指導(dǎo)我們合成新的聚合物膜。”

    最終制備的分離膜可能只有一個(gè)分子層的厚度，人們對(duì)2D單分子層材料的熱情就如十年前的石墨烯一樣。

    平面聚合物不僅僅是普通的薄膜、線性聚合物。相反，在它們內(nèi)部是類似于像漁網(wǎng)一樣的2D化學(xué)結(jié)構(gòu)，而且具有重復(fù)的相同分子尺寸的開口。在它們的表面有各種各樣的化學(xué)修飾，使得每個(gè)開口都被精心設(shè)計(jì)以通過某些特定的分子。

    但是要制備堅(jiān)硬的2D聚合物是很困難的。如果在不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)孔中，孔以錯(cuò)誤的方式在靠攏，膜就會(huì)形成3D網(wǎng)狀。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的化學(xué)家Dieter Schlüter研究這個(gè)問題超過了十年，并在2014年取得了成功。

     2D聚合物的制備原理圖

    他的方法是利用精心設(shè)計(jì)的單體形成晶體。在相同的平面內(nèi)通過一束藍(lán)光引發(fā)單體之間的化學(xué)反應(yīng)，并由層疊的聚合物層形成新的結(jié)晶。這樣就能使得2D 聚合物只有一層分子的厚度。

    內(nèi)華達(dá)州里諾大學(xué)化學(xué)系主任Schlüter和Benjamin King通過相同的方法已經(jīng)獨(dú)立制備出不同類型的2D聚合物?，F(xiàn)在，這兩個(gè)研究人員希望使這些片狀聚合物以公斤記，以便能夠方便地將樣品寄給全世界各地的研究人員。

    Schlüter承認(rèn)，他一直懷疑2D聚合物是否能夠蓬勃發(fā)展。但是他說：“我非常的固執(zhí)，所以我不會(huì)放棄，我相信這一發(fā)展的巨大潛力。”

    精品聚合物

    被廣泛使用的聚合物，如聚苯乙烯和聚乙烯。它們一遍又一遍的重復(fù)著單體，當(dāng)DNA的“四聲道交響樂”響起或與巴洛克的杰作“蛋白質(zhì)”（由23種氨基酸構(gòu)建的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)）相比時(shí)，它們的“單聲道”的確非常無聊。

    目前，前沿聚合物最具挑戰(zhàn)性的是制備具有相同精度的聚合物，這使得化學(xué)家們能夠微調(diào)其所生產(chǎn)產(chǎn)品的電學(xué)性能和物理性能。法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的大分子化學(xué)家Jean-Fran?ois Lutz說：“在過去的五年中，該項(xiàng)研究非?；鸨蛄锌刂频木酆衔锇囟樞虻膯误w，形成確定長(zhǎng)度的聚合鏈。

    去年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的化學(xué)家Jeremiah Johnson所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)表明：他們能夠通過迭代指數(shù)增長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物的控制——一開始兩個(gè)不同的單體形成二聚體，然后兩個(gè)二聚體形成四聚體，以此類推。對(duì)每一個(gè)單體的化學(xué)側(cè)鏈進(jìn)行改性以增加其復(fù)雜性。使用半自動(dòng)化系統(tǒng)可以使整個(gè)過程簡(jiǎn)便。

    目前，Johnson正在研究其序列控制的聚合物在藥物傳遞中的應(yīng)用。美國(guó)食品和藥物管理局所批準(zhǔn)的一些藥物是通過聚乙二醇的保護(hù)來與免疫系統(tǒng)隔絕。提高藥物的溶解性或提高藥物在體內(nèi)存留的時(shí)間。Johnson說：”序列控制聚合物可以提供更能被人們預(yù)測(cè)的生物效應(yīng)，因?yàn)槊恳粭l鏈都具有相同的長(zhǎng)度和形狀。并且它的化學(xué)功能能夠被精心設(shè)計(jì)以協(xié)助藥物運(yùn)輸。“序列控制聚合物也許還能夠儲(chǔ)存信息，并且比傳統(tǒng)半導(dǎo)體更加緊湊和廉價(jià)，因?yàn)槊恳粋€(gè)單體都代表了信息。去年，Lutz解釋了這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵一步。他利用兩種不同類型的單體表示1和0，第三種作為他們之間的間隔。單體所包含的化學(xué)基團(tuán)使得它們只能連接到生長(zhǎng)的聚合物上，而不能隨機(jī)的與其他單體反應(yīng)。1和0的字符串可以通過觀察質(zhì)譜儀內(nèi)的聚合物的解體情況讀取。

    本月初，Lutz表明：不同的聚合物鏈庫(kù)可以編碼32位信息，聚合物數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的勢(shì)頭正猛。

    但這一方法依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)：現(xiàn)在的合成過程緩慢且成本昂貴。開發(fā)出更好的方法預(yù)測(cè)聚合物的性能以及調(diào)整其產(chǎn)品是聚合物前沿問題和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題的關(guān)鍵所在。Lutz說道：“我們需要和物理學(xué)家、材料科學(xué)家、化學(xué)學(xué)家協(xié)同努力，去建立一個(gè)新的領(lǐng)域。”