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塑料革命呼之欲出——化學(xué)家探索下一代聚合物新極限

赫爾曼·施陶丁格是一位和平主義者，但這一戰(zhàn)他必須勝利。1920年，這位德國化學(xué)家提出聚合物(包括橡膠和纖維素在內(nèi)的廣泛化合物)由類似的小分子長鏈構(gòu)成，這些小分子由牢固的化學(xué)鍵相連接。但絕大多數(shù)同行卻認(rèn)為這種觀點(diǎn)沒有任何合理性，并認(rèn)為聚合物僅是小分子的松散集合。施陶丁格拒絕讓步，從而引發(fā)了長達(dá)10年的爭議。
最終，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)證明他是對的，這使他獲得了1953年諾貝爾化學(xué)獎�，F(xiàn)在，合成聚合物已經(jīng)無處不在：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，美國國家科學(xué)基金會組織了10年一次的盛會，設(shè)法觀察正在出現(xiàn)哪些新領(lǐng)域，它或可對該問題作出一些回答。
“總體的趨勢是聚合物的應(yīng)用將會繼續(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。這種擴(kuò)張一直以來受到各領(lǐng)域聚合物科學(xué)發(fā)展的驅(qū)動。“現(xiàn)在，幾乎每個化學(xué)系都有聚合物研究的員工�！彼f，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)越來越多，但是他們經(jīng)常不能預(yù)測生產(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�？朔@些挑戰(zhàn)將需要對聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)如何影響從納米到米等各個層面的物理特征有更深入的了解。
永遠(yuǎn)的聚合物
聚合物存在于各個地方，這也正是問題所在�！拔覀�?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫拇蠖鄶?shù)聚合物來自于石油產(chǎn)物，它們很耐用，但其廢棄物也會持久存在�！泵髂崽K達(dá)大學(xué)可持續(xù)聚合物中心(CSP)主任Marc Hillmyer說。據(jù)悉，86%的塑料包裝都在一次使用后被丟棄，使水道和填埋場積聚了大量塑料垃圾，釋放出的污染物危及野生動物生存。
這正是過去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(PLA)，后者可見于茶葉袋和醫(yī)療埋植體。
但是，可持續(xù)聚合物占有的整體塑料市場份額不到10%，Hillmyer說。其中的一個障礙是它們的成本過高;另一個問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。這會影響聚合物的特征，如使材料變硬，很難直接替換價格低廉、靈活的塑料，如聚苯乙烯和聚乙烯。
其中的一個選擇是通過將其與傳統(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研究人員通過在其中加入5%的一種低價石油聚合物(含有一些易溶于水的成分)克服了這一問題。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(PMVL)，該聚合物以經(jīng)過編輯的細(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�！盚illmyer說。
利益在膜中
在這個混合物構(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。它們在未來將會有更大影響，Lodge說。“有很多問題都能夠通過更好的膜得到解決。”
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(通過化學(xué)反應(yīng)困住污染物的設(shè)備)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)模廉價生產(chǎn)，而且能覆蓋大范圍區(qū)域，并且不具有讓錯誤分子通過的結(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)過改善后的膜可以應(yīng)對更加棘手的任務(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)目中的水通過壓力被灌入巖石內(nèi)使其裂開，從而釋放出天然氣。經(jīng)過使用后的水會變得很臟，標(biāo)準(zhǔn)的過濾膜很塊就會被阻塞，因此水必須處于極大壓力下才能通過，而所用的膜也必須用化學(xué)物質(zhì)清理，這會使其壽命縮短。
但是Freeman發(fā)現(xiàn)了一個可以回避這一問題的方法：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方面可謂單調(diào)至極：它們會重復(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”相比顯得尤其乏味，后者由4個單體編碼基因組;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�！斑^去5年，它已經(jīng)變得非常時髦�！狈▏固乩贡ご髮W(xué)大分子化學(xué)家Jean-Francois Lutz說。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更加緊湊、價格低廉的方式儲存數(shù)據(jù)，每個單體分子代表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(jī)構(gòu)——情報(bào)先進(jìn)研究計(jì)劃署(IARPA)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�！斑@一領(lǐng)域生氣勃勃，研究人員隊(duì)伍日益壯大。”幫助組織該研討會的IARPA技術(shù)顧問David Markowitz說。
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)仍然過于緩慢與昂貴。解決數(shù)據(jù)儲存以及聚合物前沿領(lǐng)域許多其他問題的關(guān)鍵在于，研究更好的方法預(yù)測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�！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，“我們需要開創(chuàng)一個新的領(lǐng)域�！�

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