最終，實(shí)驗室數據證明他是對的，這使他獲得了1953年諾貝爾化學(xué)獎?，F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，施陶丁格假設的分子鏈已經(jīng)進(jìn)入了現代生活的方方面面?；诰酆衔锏膹秃喜牧仙踔翗嫵闪瞬ㄒ艄咀钚驴蜋C “夢(mèng)幻客機”787的一半材料。
那么，聚合物下一步將走向何方?近日，美國國家科學(xué)基金會(huì )組織了10年一次的盛會(huì )，設法觀(guān)察正在出現哪些新領(lǐng)域，它或可對該問(wèn)題作出一些回答。
“總體的趨勢是聚合物的應用將會(huì )繼續擴張到傳統上它們并未發(fā)揮作用的領(lǐng)域?！泵髂岵ɡ姑髂崽K達大學(xué)分子化學(xué)家、《大分子》期刊編輯Tim Lodge說(shuō)。這種擴張一直以來(lái)受到各領(lǐng)域聚合物科學(xué)發(fā)展的驅動(dòng)?！艾F在，幾乎每個(gè)化學(xué)系都有聚合物研究的員工?！彼f(shuō)，聚合物前沿領(lǐng)域的研究日益呈現跨學(xué)科性質(zhì)。
研究人員掌握的制作聚合物鏈化學(xué)結構的技術(shù)越來(lái)越多，但是他們經(jīng)常不能預測生產(chǎn)的聚合物是否擁有膜或是給藥系統所需要的專(zhuān)門(mén)特征?？朔@些挑戰將需要對聚合物化學(xué)結構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。
永遠的聚合物
聚合物存在于各個(gè)地方，這也正是問(wèn)題所在?！拔覀內粘Ｉ钪惺褂玫拇蠖鄶稻酆衔飦?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?！泵髂崽K達大學(xué)可持續聚合物中心主任Marc Hillmyer說(shuō)。據悉，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)于茶葉袋和醫療埋植體。
但是，可持續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)將其與傳統聚合物混合，強化PLA等環(huán)境可持續性聚合物。但這種方式有著(zhù)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)形成了球形的結構，可使PLA的耐用性顯著(zhù)提高，同時(shí)不降低其透明度。
Hillmyer的團隊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)編輯的細菌單分子為基礎。
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，這些可持續性的聚合物能否商業(yè)化仍要拭目以待?！昂芏鄷r(shí)候，最大的挑戰就是大規模生產(chǎn)，這需要有經(jīng)濟上的優(yōu)勢?！盚illmyer說(shuō)。
利益在膜中
在這個(gè)混合物構成的世界中，聚合物能夠恢復一定秩序。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胞內的分子保持隔離。它們在未來(lái)將會(huì )有更大影響，Lodge說(shuō)?！坝泻芏鄦?wèn)題都能夠通過(guò)更好的膜得到解決?！?/span>
利用膜分離混合物比蒸餾法耗費的能量低得多。它同樣可以比利用洗滌器節省更多空間。利用聚合物制成的膜不僅可以實(shí)現大規模廉價(jià)生產(chǎn)，而且能覆蓋大范圍區域，并且不具有讓錯誤分子通過(guò)的結構性缺陷。
可分離氣體的膜已經(jīng)應用于工業(yè)，可分離天然氣中的氫和二氧化碳。經(jīng)過(guò)改善后的膜可以應對更加棘手的任務(wù)，比如分辨類(lèi)似的碳氫化合物丙烷和丙烯?；瘜W(xué)上更加強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目的廢水處理方法，這些項目中的水通過(guò)壓力被灌入巖石內使其裂開(kāi)，從而釋放出天然氣。經(jīng)過(guò)使用后的水會(huì )變得很臟，標準的過(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。該團隊已經(jīng)將這些膜用于美國海軍的一些構造單元，從而在傾倒船艙底部的含油污水前先對其進(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)方面可謂單調至極：它們會(huì )重復同樣的單體結構。這種單調性與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)的復雜杰作相比則更為單調，一個(gè)蛋白質(zhì)是由23種氨基酸形成的復雜的3D結構。
聚合物最具挑戰性的一個(gè)前沿是將合成聚合物以同樣的精準度剪裁，這樣化學(xué)家就能調整其產(chǎn)品的電子和物理特征?！斑^(guò)去5年，它已經(jīng)變得非常時(shí)髦?！狈▏固乩贡ご髮W(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定的順序包含單體，形成特定長(cháng)度的纖維。
與傳統半導體技術(shù)相比，控制序列的聚合物還可以通過(guò)更加緊湊、價(jià)格低廉的方式儲存數據，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。
聚合物信息儲存正在蓄力發(fā)展。今年4月，美國資助科學(xué)界高風(fēng)險研究的機構——情報先進(jìn)研究計劃署召集生物技術(shù)、半導體以及軟件行業(yè)的專(zhuān)家參加該主題研討會(huì )?！斑@一領(lǐng)域生氣勃勃，研究人員隊伍日益壯大?！睅椭M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，當前的合成技術(shù)仍然過(guò)于緩慢與昂貴。解決數據儲存以及聚合物前沿領(lǐng)域許多其他問(wèn)題的關(guān)鍵在于，研究更好的方法預測聚合物的特性以及調整相關(guān)生產(chǎn)。這將需要多方合力?！拔覀冃枰c物理學(xué)家、材料學(xué)家以及理論化學(xué)家合作?！盠utz說(shuō)，“我們需要開(kāi)創(chuàng )一個(gè)新的領(lǐng)域?！?/span>
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