问题：二十一世纪的高分子科学
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时间：2005-10-06 17:21:20 编辑加入/取消收藏订制/取消短消息举报该贴

二十一世纪的高分子科学
O. Vogl , G. D. Jaycox

在人类历史上,几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献.在二十世纪初,可靠的聚合方法的发现,加上有关高分子理论,物理和工程的巨大进展,导致并推动了一场材料革命,这场材料革命至今仍在继续地进行着.在二十一世纪来临之际,高分子科学及其相关技术面临着新的机遇和挑战.在这篇文章中我们将着眼于未来,并力图确定一些在今后几十年中,可能会变得越来越重要的高分子科学的研究领域.

我们所阐述的观点是基于我们过去从事高分子科学和技术研发方面的经验,并受到我们在这一迅速发展的领域中的独特经历的影响.需要指出的是,我们的观点并不一定代表我们所供职的机构.

每年全球生产约2亿吨聚合物材料以满足全世界的60亿人的使用需要.在这一生产过程,只消耗了全球原油年产量的4%.比较而言,全球每年采伐的木材量所等效的石油消耗却要比聚合物大一个数量级.与全球每年产生的约500亿吨生物物质相比,聚合物的产量是如此的微不足道.然而,聚合物材料的使用却对全球经济产生了巨大的影响,它对美国GDP的贡献达到4%.在二十一世纪的某个时候,当全世界人口比现在翻一番时,聚合物的生产规模可能是现在的三倍甚至四倍.

为什么人类如此广泛的依赖于聚合物材料而不是什么其它的,诸如木材,金属,陶瓷等材料呢?这主要是因为聚合物这一合成材料更加价廉,更轻便,强度更高,且易于加工成所需要的形状,它的性能易于控制.相对而言,聚合物材料使用起来更加安全,最重要的是聚合物废弃物更易于处理.

很明显,在现代社会,聚合物材料在支撑人类社会并推动其发展上起着至关重要的作用.它们被用于食品的生产和储存,用于健康医疗,用于建筑,用于能源开发和利用,它们使人类的娱乐生活面目一新.可以预见,在二十一世纪,人类对聚合材料的这种依赖会更加强烈.

我们该如何发展聚合物材料,什么会限制未来聚合物及其相关材料的生产?一些新方法的应用已经很普遍了.伴随着技术的进步,随波逐流式的发展是不可避免的,这种发展会从政府和工业基金中得到比现在更多的支持.然而真正的发明和创造,或者说是技术革命(区别于对已有技术的重新解释),将更多地不受束缚地来自于这样一些个人,团体或机构,他们拥有丰富的基础知识,且有远大的眼光和勇气去挑战那些看上去是不可实现的目标.科学界和我们的主流社会必须容忍(事实上应该是承认和鼓励)真正的发明和创造,即使他们的产品起初看上去并不象"尼龙"那样实用.在高分子科学发展史上,历史多次证明,许多革命性的科学技术进步在其诞生之初都是非常新奇的.

接下来我们将着眼于高分子科学在二十一世纪中将可能面临机遇和挑战的一些领域.它们中有的可能会迅速发展壮大,有的的也许会逐渐衰落并最终消亡.

1. 催化过程和新的聚合方法

归根到底,所有的单体合成都是基于催化过程,它大大的促进了有用产品的生产,同时大幅度减少了副产品的生成.一个有经济价值的聚合方法要求可以对分子量,分子量分布,立构规整性等分子结构参数进行精确的控制,而且要对多种单体和共单体都可以适用.新型的用于烯烃聚合和颗粒聚合的催化剂的发现促进了聚丙烯的生产,开辟了一种新奇的不同寻常的发展方向.现在所使用的,在过去几十年中发展起来的聚合技术只能用于有限的单体,因此在这一领域有巨大的潜在发展机会.通过生物方法生产单体和有确定结构的聚合物,为聚合物合成在二十一世纪的发展提供了广阔的空间.当然在这一技术实现商业化应用之前,还有许多经济和环境问题需要解决.

2. 非线性结构聚合物

过去,聚合物都被认为是具有线性结构的材料,其主要性质基于其细长的,柔软的链状结构.最近,在制造高度支化的,带有枝状和超支化结构的大分子方面进行的努力显然突破了过去的这种看法.比如"球状"结构的聚合物,它包括星形聚合物和其它的由大单体构成的体系.这类聚合物可以有效的避免链的缠结,在要求低粘度的领域发现了其越来越多的应用价值.非线性聚合物的基于端基的高官能团密度和独特的分子结构,为进行创造性的材料设计提供了新的机会.当然,目前所面临的问题还很多.在商业上可行的低成本的合成路线还有待开发.类似于超支化结构的体系和有着更加无规几乎结构的结构化大单体体系的造价更低,在许多领域可能会提供更好的性价比.在聚合物结构体系的另一方面,对环状寡聚物和彻底不含端基的聚合物的研究也很可能意味着一种新型材料的产生.但对于这些材料,其结构单元的合成路线仍旧面临问题.在这方面值得作进一步的研究.此外,多环串体系赋予了"聚合物链"以新的含义,它属于有着优异性能,但尚待研究的拓扑约束材料.

3. 超分子组装和高度自组织的大分子

在二十世纪的大部分时间里,高分子量聚合物材料的合成主要依赖于在单体单元之间形成共价键.现在,这种方法被完全通过次价键力,由较小单元自组装成合成大分子的方法所突破.基于可逆过程的超分子自组织(不同于结晶物中的聚合物分子链的自组织)在未来几十年中可能将变得越来越重要.这些体系较之共价键体系有许多优点,如由于其可逆的"熔融"性质带来的低造价,及其通过共价键反应无法获得的,迄今未见的分子结构.此外,它们还可用于可逆的交联网状结构和凝胶.对于能够通过一系列非共价键反应自发折叠组装成有确定的三维几何结构的线性大分子的合成方法的研究是一个值得深入的方向.在这里,天然的类似物质如生胶质等应该可以指导这类材料的设计.

4. 聚合物结晶和形态工程

大分子的合成主要是通过化学方法进行的,但通常所利用的是其物理和力学性能.对于聚合物结构和结晶形态间的内在关系进行深入研究将会导致具有改进的甚至是最佳的固态性能的新材料的产生.另一方面,结晶聚合物通常以多晶形式存在,每种晶型有不同的熔融行为和稳定性.在这种情况下,选择合适的成核剂,甚至是不同手性的成核剂,也许可能对某一聚合物形态进行控制,并对其固态性能进行精细调节.

5. 刺激-响应聚合物

大多数商业化生产的聚合物都有确定的使用性能,且尽量使这些性能不随时间而变化.事实上,为了使塑料在不同的环境条件下有更加稳定的性能,研究人员投入了巨大的精力,不断的研究用于聚合物的添加剂和其它相关技术.然而另一个极端是,研究人员力图使聚合物可以通过精确的可以控制的方式发生变化,以响应外界刺激.在二十一世纪,刺激-响应聚合物可能会越来越重要,因此在这方面的深入研究是有价值的.无论是单独使用或是和其它材料一起使用,这种聚合物都肯定会有高附加值的应用.如人造器官,分子引擎,"智能"表面和涂层,以及新型传感技术等.

6. 聚合物的循环利用和处理

所有的材料无论是天然的还是人工合成的,都有一定的使用寿命,在这以后其性能会严重下降,这就会涉及到循环利用和废物处理的问题.对于增加聚合物稳定性的技术的研究是需要的,这样以延长人工合成聚合物在光,热,氧化剂和其它环境破坏因素的作用下的使用寿命.如果在商业上可行的话,将性能下降的材料转而用于对性能要求较低的应用领域,以此最为一种废物处理的方法是值得研究的.随着人口的增加,有限的垃圾填埋地和环境限制将会越来越强调上面提到的这种处理方法.此外,可以使有用的单体得以再生的"解聚合"催化剂的发现和可以使聚合物断链生成简单成分的化学和生物过程的开发将是在二十一世纪高分子科学所面临的重要机遇.在世界范围内将会越来越强调使用燃烧方法对废弃物进行处理.对于一些特定的体系,研究人员正在尝试在绝氧条件下使得聚合物热降解产生类似于油的产物.如果能将未分类的塑料和生活垃圾通过燃烧使其只产生二氧化碳,水和能量,这显然是不错的选择.通过设计新型的经济的对环境友好的垃圾焚化炉以实现这样的目的,将是我们在进入二十一世纪时的一个有价值的创新目标.(张景春译)

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