赫爾曼·施陶丁格是一位和平主義者，但這是他決心贏得的一場戰鬥。1920年，這位德國化學家提出，聚合物——包括橡膠和纖維素在內的廣泛化合物——是由透過強大的化學鍵連線的相同小分子的長鏈組成的。他的大多數同事認為這是胡說八道，並認為聚合物僅僅是小分子的鬆散聚集。施陶丁格拒絕退縮，引發了長達十年的爭執。
最終，實驗室資料證明他是正確的。他因其工作而獲得了1953年諾貝爾化學獎，合成聚合物現在無處不在：去年，世界生產了約3億噸合成聚合物。施陶丁格假設的分子鏈已經進入了現代生活的幾乎所有方面，從衣服、油漆和包裝到藥物輸送、3D列印和自修復材料。甚至波音公司最新的客機787夢想飛機的重量也有一半是由聚合物基複合材料構成的。
那麼，聚合物的下一步發展方向是什麼？本週將揭曉一些答案，屆時美國國家科學基金會組織的十年一次的研討會將試圖調查哪些新領域正在興起。
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“總的趨勢——仍在繼續——是聚合物向傳統上不屬於它們的應用領域的擴充套件，”明尼阿波利斯明尼蘇達大學的聚合物化學家、《Macromolecules》雜誌的編輯蒂姆·洛奇說。 他說，這種擴充套件是由聚合物科學各個方面的進步推動的。研究人員開發了合成和分析分子的新方法，改進了理論模型，並創造了天然聚合物的類似物。洛奇說，與此同時，人們對這門科學的態度也發生了變化。大學不再認為聚合物科學對於學術界來說太髒、太實用和太工業化。“現在幾乎每個化學系都有人在做聚合物方面的工作，”他說，而且聚合物的前沿工作越來越具有跨學科性。
這將是必要的。研究人員擁有越來越多的技術工具箱，可以用來構建聚合物鏈的化學結構，但他們通常無法預測所得化合物是否會具有特定性質，例如，膜或藥物輸送系統所需的特定性質。應對這一挑戰將需要更深入地瞭解聚合物的化學結構如何在從奈米到米的各個尺度上決定其物理性質。
聚合物永存
聚合物無處不在——問題也由此產生。“我們日常生活中使用的大多數聚合物都來自石油基產品，儘管它們在使用中很耐用，但在廢棄物中也很耐用，”明尼蘇達大學可持續聚合物中心 (CSP) 主任馬克·希爾邁耶說。據估計，所有塑膠包裝中有 86% 在被丟棄之前僅使用一次，從而產生一股持續存在於水道和垃圾填埋場中的廢物流，釋放汙染物並危害野生動物。
《自然》，2016年8月17日 doi:10.1038/536266a
這就是為什麼過去十年人們對由可再生資源製成且易於且無害地生物降解的聚合物產生了爆炸性的興趣。基於天然澱粉的聚合物已經上市；合成聚乳酸 (PLA) 也是如此，它由乳酸或源自生物來源的乳酸製成，存在於從茶包到醫療植入物的各種產品中。
但希爾邁耶說，可持續聚合物仍僅佔塑膠總市場的不到 10%。一個障礙是它們成本太高。另一個障礙是天然聚合物的單體結構單元往往比石油的化石碳氫化合物含有更多的氧原子。這會影響聚合物的效能——例如，使材料變硬——這使得它們難以直接替代廉價且柔韌的塑膠，如聚乙烯和聚丙烯。將天然聚合物轉化為與傳統聚合物完全相同的分子匹配需要一些精密的化學技術。
一種替代方法是透過將可持續聚合物（如 PLA）與傳統聚合物混合來增強其效能。這種方法通常有缺點，例如使某些塑膠的透明度降低。但 CSP 研究人員透過新增僅佔重量 5% 的低成本石油基聚合物來解決了這個問題，該聚合物包含一些疏水性（不溶於水）部分和其他親水性（或溶於水）部分。這些新增劑聚集在一起形成球形結構，這使得 PLA 在不降低其透明度的情況下變得更堅韌。
希爾邁耶的團隊還製造了一種部分可回收的聚氨酯泡沫，這種泡沫存在於許多產品中，包括絕緣材料、座墊和墊圈。這種聚氨酯的配方包括一種名為聚（β-甲基-δ-戊內酯）（PMVL）的低成本聚合物，該聚合物基於改性細菌製成的單體。將泡沫加熱到 200°C 以上會分解聚氨酯，從而可以提取單體並再次使用。
這些可持續聚合物是否可以商業化還有待觀察。“通常最大的挑戰是進行規模化生產，這需要有利的經濟條件，”希爾邁耶說。他認為，該領域需要建立通用的設計規則，以預測單體的化學結構如何影響聚合反應的速率、溫度和產率，以及所得聚合物將如何與其他材料相互作用。他的團隊已經為 PMVL 的成分制定了此類指南，並於去年在 CSP 成立了一家名為 Valerian Materials 的衍生公司，以利用這些原則。
一些研究人員正在探索另一種技巧：他們沒有將生物衍生單體串聯在一起，而是學習直接使用天然聚合物。例如，纖維素由葡萄糖分子串聯成鏈組成，這些鏈又排列成構成植物堅硬細胞壁的強纖維或原纖維。在許多地方，纖維素鍊形成寬度達 20 奈米、長度達數百奈米的結晶塊，可以從纖維素漿中化學提取。支持者表示，這些晶體可用於增強複合材料、形成絕緣泡沫、輸送藥物以及為組織修復提供支架等應用。
纖維素奈米晶體和更長的奈米原纖維現在已實現商業化生產，但商業應用尚未超出硬化紙張或增稠液體的範圍。瑞士弗裡堡大學阿道夫·默克爾奈米科學研究所所長克里斯托夫·韋德說，要降低成本並證明可持續聚合物的獨特優勢，還需要做更多的工作。“我們真的需要生物基聚合物的路線圖，”他說。
親身參與
在一個混亂的世界中，聚合物可以恢復一些秩序。聚合物膜已經充當分子篩，用於分離氣體、淡化海水和在燃料電池內部保持分子分離。但洛奇說，它們未來可能會產生更大的影響。“有許多問題可以透過更好的膜來解決。”
使用膜分離混合物所需的能量要少得多，蒸餾是將液體加熱以使其組分在不同溫度下蒸發。與使用洗滌器相比，它也需要更少的空間，洗滌器是透過化學反應捕獲汙染物的裝置。由聚合物製成的膜不僅可以大規模廉價製造，而且可以覆蓋大面積區域，而不會產生讓錯誤分子透過的結構缺陷。
氣體分離膜已在工業上用於從天然氣中分離氫氣和二氧化碳。但改進後的膜可以解決更困難的任務，例如區分非常相似的碳氫化合物丙烷和丙烯。更堅韌、化學性質穩定的膜可以在更高的溫度下執行，以去除熱煙道氣中的二氧化碳。
德克薩斯大學奧斯汀分校的膜化學家本尼·弗里曼希望改進天然氣水力壓裂作業產生的廢水的處理，在水力壓裂作業中，水被壓入岩石中以將其裂開並釋放天然氣。使用後，水非常髒，以至於標準過濾膜很快就會堵塞，因此必須對水施加高壓才能將其壓過，並且必須用化學物質清潔膜，這會縮短其壽命。但弗里曼找到了一種規避該問題的方法，即為膜塗上一層薄如蟬翼的聚多巴胺塗層，這種塗層模仿了貽貝用來粘附在岩石上的防水膠。在德克薩斯州沃斯堡附近的水力壓裂水處理廠進行的試點專案中，聚多巴胺塗層使將水壓過膜所需的壓力減半，這可能會產生更小、更高效的處理系統。該團隊已經使用這些膜為美國海軍建造裝置，以便艦船可以在傾倒含油艙底水之前對其進行淨化。
2015 年 12 月，美國總統政府啟動了“水資源登月計劃”，以提高水資源可持續性，作為該計劃的一部分，美國能源部計劃於 2017 年建立一個海水淡化研究中心。弗里曼說，聚合物膜將在該計劃中發揮重要作用。“我們預計將看到擴大聚合物在該領域應用的努力大幅增加。”
為了設計更好的海水淡化膜，研究人員需要能夠預測聚合物中帶電化學基團的分佈等因素如何影響其對離子的滲透性。今年早些時候，弗里曼和他的同事發表了他認為的第一個實現這一目標的模型，該模型可以使化學家能夠透過調整膜的化學取代基和交聯分子，將特定性質構建到膜中。“我的任務是讓人們提出關於結構-性質關係的這類問題，這可以真正指導合成，”他說。
最終的分離膜可能只有一層分子厚。這些二維聚合物正乘著單層材料的熱潮，這股熱潮是在十多年前石墨烯被分離出來之後興起的。
這種扁平聚合物不僅僅是普通線性聚合物的非常薄的薄膜。相反，它們具有本質上的二維化學結構，看起來像漁網，具有規則的、重複的網格，網格上佈滿了分子大小的孔。它們還可以在其表面攜帶各種化學裝飾，因此可以精確設計每個孔，以允許某些分子透過並阻止其他分子透過。
但是，製造二維聚合物非常困難。如果生長網格中的一個孔以錯誤的方式閉合，膜可能會彎曲成三維混亂狀態。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的聚合物化學家迪特·施呂特在這個問題上工作了十多年，才在 2014 年取得成功。
他的方法依賴於誘導精心設計的單體形成晶體。然後，一束藍光會引發同一平面內單體之間的化學反應，從而形成由堆疊的聚合物層組成的新晶體。這些晶體可以剝離下來，得到只有一層單體厚的單個二維片材。
施呂特和內華達大學雷諾分校化學系主任本傑明·金使用相同的方法，獨立生產出不同型別的二維聚合物。現在，這兩位研究人員成為了合作者，他們希望很快能夠以公斤為單位批次生產這些片材，足以輕鬆地將樣品分發給世界各地的研究小組。
施呂特承認，他對二維聚合物是否會蓬勃發展持懷疑態度。“但這很健康，”他說。“而且我非常固執——我不會放棄，我堅信這項發展具有巨大的潛力。”
定製聚合物
聚苯乙烯和聚乙烯等廣泛使用的聚合物在某種意義上非常單調：它們一遍又一遍地重複相同的單體。與 DNA 的四聲部交響曲相比，它們的單音調尤其單調，DNA 用 4 個單體編碼整個基因組；或者蛋白質的巴洛克式傑作，從 23 種氨基酸中汲取靈感來構建複雜的 3D 結構。
聚合物研究中最具挑戰性的前沿領域之一是以相同的精度定製合成聚合物，以便化學家可以微調其產品的電子和物理性質。“在過去五年中，這已變得非常流行，”法國斯特拉斯堡大學的大分子化學家讓-弗朗索瓦·盧茨說。序列控制聚合物將包含按預定順序排列的單體，形成長度非常特定的鏈。
去年，由馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的化學家耶利米·約翰遜領導的團隊表明，他們可以透過迭代指數增長來實現這種控制——首先將兩個不同的單體結合起來製成二聚體，然後連線兩個二聚體以製成四聚體，依此類推。在迴圈之間修飾每個單體的化學側鏈會增加複雜性，而半自動化系統可以使該過程不那麼費力。
約翰遜目前正在研究他的序列控制聚合物如何用於藥物輸送。美國食品和藥物管理局批准的十幾種藥物使用一種名為聚乙二醇的聚合物來保護它們免受人體免疫系統的攻擊，提高其溶解度或延長其在體內的停留時間。約翰遜說，序列控制聚合物可以提供更可預測的生物效應，因為每條鏈的長度和形狀都相同，並且可以仔細設計其化學性質，以最有效的方式幫助其藥物有效載荷。
序列控制聚合物還可以以比傳統半導體技術更緊湊和廉價的形式儲存資料，其中每個單體代表一位資訊。去年，盧茨展示了朝著該目標邁出的關鍵一步。他使用兩種型別的單體來表示數字 1 或 0，並使用第三種單體來充當它們之間的間隔物。這些單體包含化學基團，這些化學基團使它們只能連線到生長的聚合物，而不是彼此隨機反應。可以透過觀察聚合物在質譜儀內部如何分解來讀取 1 和 0 的字串。
本月早些時候，盧茨表明，不同的聚合物鏈庫可以編碼 32 位訊息。與已儲存在人造 DNA 分子中的 1.6 吉位元資料相比（參見go.nature.com/2b2ve0u），這相形見絀。但是，聚合物資料儲存的發展勢頭正在增強。今年 4 月，美國情報高階研究計劃署 (IARPA)（一個為情報部門資助高風險研究的美國機構）邀請了生物技術、半導體和軟體行業的代表參加了關於該主題的研討會。“有一個充滿活力且不斷壯大的研究人員社群正在從事這項工作，”幫助組織研討會的 IARPA 技術顧問戴維·馬科維茨說。
但是，這種方法仍然面臨巨大的技術挑戰：目前的合成技術太慢且成本太高。解決資料儲存問題以及聚合物前沿的許多其他問題的關鍵將是開發更好的方法來預測聚合物的性質並微調其生產。這將需要共同努力。“我們需要與物理學家、材料科學家、理論化學家建立合作，”盧茨說。“我們需要建立一個新領域。”
本文經許可轉載，並於 2016 年 8 月 17 日首次釋出。