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塑料革命 呼之欲出——探索聚合物新極限
2017-11-3 14:35:41
塑料革命 呼之欲出——探索聚合物新極限
     赫爾曼·施陶丁格是一位和平主義者，但這一戰他必須勝利。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)由類似的小分子長鏈構成，這些小分子由牢固的化學鍵相連接。但絕大多數同行卻認為這種觀點沒有任何合理性，并認為聚合物僅是小分子的松散集合。施陶丁格拒絕讓步，從而引發了長達10年的爭議。



最終，實驗室數據證明他是對的，這使他獲得了1953年諾貝爾化學獎?，F在，合成聚合物已經無處不在：去年，全球生產的人工聚合物約為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進入了現代生活的方方面面。基于聚合物的復合材料甚至構成了波音公司最新客機 “夢幻客機”787的一半材料。



那么，聚合物下一步將走向何方?近日，美國國家科學基金會組織了10年一次的盛會，設法觀察正在出現哪些新領域，它或可對該問題作出一些回答。


“總體的趨勢是聚合物的應用將會繼續擴張到傳統上它們并未發揮作用的領域。”明尼波利斯明尼蘇達大學分子化學家、《大分子》期刊編輯Tim Lodge說。這種擴張一直以來受到各領域聚合物科學發展的驅動?！艾F在，幾乎每個化學系都有聚合物研究的員工?！彼f，聚合物前沿領域的研究日益呈現跨學科性質。



研究人員掌握的制作聚合物鏈化學結構的技術越來越多，但是他們經常不能預測生產的聚合物是否擁有膜或是給藥系統所需要的專門特征?？朔@些挑戰將需要對聚合物化學結構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。



永遠的聚合物



聚合物存在于各個地方，這也正是問題所在?！拔覀內粘Ｉ钪惺褂玫拇蠖鄶稻酆衔飦碜杂谑彤a物，它們很耐用，但其廢棄物也會持久存在?！泵髂崽K達大學可持續聚合物中心(CSP)主任Marc Hillmyer說。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的原因。目前，市場上已經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療埋植體。



但是，可持續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聚合物混合，強化PLA等環境可持續性聚合物。但這種方式有著明顯的缺點，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。這些添加的物質形成了球形的結構，可使PLA的耐用性顯著提高，同時不降低其透明度。



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)，該聚合物以經過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化仍要拭目以待。“很多時候，最大的挑戰就是大規模生產，這需要有經濟上的優勢。”Hillmyer說。



利益在膜中



在這個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。它們在未來將會有更大影響，Lodge說?！坝泻芏鄦栴}都能夠通過更好的膜得到解決?！?/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(通過化學反應困住污染物的設備)節省更多空間。利用聚合物制成的膜不僅可以實現大規模廉價生產，而且能覆蓋大范圍區域，并且不具有讓錯誤分子通過的結構性缺陷。



可分離氣體的膜已經應用于工業，可分離天然氣中的氫和二氧化碳。經過改善后的膜可以應對更加棘手的任務，比如分辨類似的碳氫化合物丙烷和丙烯。化學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。



得克薩斯大學奧斯汀分校膜化學家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壓力被灌入巖石內使其裂開，從而釋放出天然氣。經過使用后的水會變得很臟，標準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物質清理，這會使其壽命縮短。



但是Freeman發現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。該團隊已經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至極：它們會重復同樣的單體結構。這種單調性與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;它與蛋白質的復雜杰作相比則更為單調，一個蛋白質是由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前沿是將合成聚合物以同樣的精準度剪裁，這樣化學家就能調整其產品的電子和物理特征。“過去5年，它已經變得非常時髦?！狈▏固乩贡ご髮W大分子化學家Jean-Francois Lutz說。由序列控制的聚合物能夠以預定的順序包含單體，形成特定長度的纖維。



與傳統半導體技術相比，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據，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展。今年4月，美國資助科學界高風險研究的機構——情報先進研究計劃署(IARPA)召集生物技術、半導體以及軟件行業的專家參加該主題研討會。“這一領域生氣勃勃，研究人員隊伍日益壯大。”幫助組織該研討會的IARPA技術顧問David Markowitz說。



但這一方法仍面臨巨大技術挑戰，當前的合成技術仍然過于緩慢與昂貴。解決數據儲存以及聚合物前沿領域許多其他問題的關鍵在于，研究更好的方法預測聚合物的特性以及調整相關生產。這將需要多方合力?！拔覀冃枰c物理學家、材料學家以及理論化學家合作?！盠utz說，“我們需要開創一個新的領域?！?/span>
  
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