改變世界的五種合成材料

瓦萊里婭·阿里吉

自從全合成材料萌芽初現(xiàn)，相關的研發(fā)進展已達到了材料史上空前的地步。不容置疑，我們在同一時間內的要求會越來越多。希望產(chǎn)品在提高我們的生活質量的同時，其用料和技術都能夠走向節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展和減少全球性污染。這是一個挑戰(zhàn)

1959-1940年的紐約世博會作為有史以來最偉大的一屆世博會之一，吸引了諸多游客慕名前往位于昆斯市的法拉盛草原可樂娜公園。在“明日世界”中，游客們首次目睹到了諸如電視、視頻電話和福特野馬等當代尖端科技。

這也是人們第一次見識了世界上第一種全部由人工合成的纖維——尼龍。由編織機演示的將尼龍縫制到連褲襪里面，就像兩個模型機展示了一場面料的拉鋸戰(zhàn)。尼龍是由華萊士·卡羅瑟斯領導的一個杜邦公司的科研機構于此四年之前研制成功，在世博會上作為新的針織類產(chǎn)品面市。“全部由諸如煤炭、水和空氣這類常用原材料制成”的細絲，卻有如鋼鐵般的力量。

僅在第一年，杜邦公司就售出6400萬雙尼龍絲襪，它的面市取得了巨大的成功。盡管有時不那么時髦或者實用，但相比那些蠶絲之類的自然產(chǎn)品，尼龍因為有著更為優(yōu)越的質量，從而在許多方面被投入使用。時至今日，尼龍仍然被廣泛應用于纖維織物、家居裝飾用品、體育用品、樂器的弦和汽車零部件中。

自從全合成材料萌芽初現(xiàn)，相關的研發(fā)進展已達到了材料史上空前的地步。針對某一特定的用途，化學家們新發(fā)現(xiàn)的催化劑和新研發(fā)的合成方法，用以幫助小分子正確地契合到聚合物的長鏈中。如我們平時制作地毯所使用的聚丙烯纖維，以及各種堅硬的用于制作塑料瓶的聚乙烯。物理學家、材料學家和工程師們也設計出新的處理方法和新技術來提高性能，用以生產(chǎn)出超級牢固的物質。

不容置疑，我們在同一時間內的要求會越來越多。希望產(chǎn)品在進一步提高我們的生活質量的同時，其用料和技術都能夠走向節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展和減少全球性的污染。這是一個挑戰(zhàn)。

這里我們將介紹塑造全新未來的五類聚合物：

1.生物塑料

（BiopIastics）

眾所周知，不能被降解的塑料是一種常見的環(huán)境污染來源。更糟糕的是，這些我們稱之為單體的塑料的構件，來自不能再生的遠古的原油。

感謝在生產(chǎn)過程中使用的酶和催化劑，它們使得這種情況開始發(fā)生改變。未來極有可能將諸如沼氣等可再生能源轉化為制造塑料和合成橡膠的主要構件。

由于保存了化石原料，這些材料將變得可持續(xù)，但這只是解決了部分問題。除非它們也能夠被生物降解，否則，對于環(huán)境來說它們仍然是一個問題。

2.塑料復合材料/納米復合材料

（Plastic Composites/Nanocomposites）

塑料復合材料是由不同纖維構成的更加堅固或有彈性的塑料。舉個例子，你在聚合物中鑲嵌一些碳纖維來增加強度，可以制造出一種用于現(xiàn)代節(jié)能型交通工具的輕質材料。

這類纖維增強塑料（fibre-reinforcedplastics）的使用正在快速發(fā)展，特別是在航空航天工業(yè)（波音787和空客A360都有50%的復，拿材料）。如果不是由于成本過高，這些材料將被用于所有的運輸工具。

最新出現(xiàn)的納米復合材料，用微粒子代替了其他包括了石墨烯在內的物質來加強塑料。這種新材料用途潛力無窮，從風力渦輪葉片上的輕量傳感器到電量更足的電池，再到植入人體的用于加速骨折恢復的支架。

如果我們成功地將納米復合材料在嚴密控制的工作條件下加工生產(chǎn)，將是令人心潮澎湃的一件事情。如果我們觀察自然材料例如木材的結構，你會發(fā)現(xiàn)它們驚人的復雜。相比之下，我們現(xiàn)有的復合材料和納米材料是那么的不成熟。

3.有自愈能力的聚合物

（Solf-Healing Polymers）

基于對承受機械壓力以及環(huán)境適應能力的考量。無論我們如何仔細地為工程應用挑選材料，在撞擊或疲勞等因素所造成的老化、退化和機械完整性損失的影響下’這些材料都會不可避免地失敗。而我們不僅要付出昂貴的花費，有時還會帶來一場災難，就像2010年在墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺爆炸事件那樣。

源于生物系統(tǒng)的靈感，科學家正在研發(fā)具有自愈能力的新材料口這可以用來修復以往被人們認為不可逆轉的損傷。盡管聚合材料不是唯一擁有自愈能力的材料，但是它在這方面尤為擅長。距離世紀之初這一能力第一次被發(fā)現(xiàn)，短短幾年內，他們已經(jīng)提出了多項創(chuàng)造性的治療系統(tǒng)。

由于有自我修復能力的聚合物所需要的設計比以往的聚合物要復雜得多，要想將這些概念推廣大量應用，仍舊是個巨大的挑戰(zhàn)。但這似乎是生產(chǎn)既耐用又能容錯的材料的最終路線，可用于包括鍍膜、電子產(chǎn)品和運輸之類的產(chǎn)品。

4.塑料電子

（Plastic Eloctronics）

大多數(shù)聚合物是不導電的絕緣體。艾倫·麥克戴米德、艾倫·黑格和白川英樹發(fā)現(xiàn)了一個名為聚乙炔的聚合物，通過摻雜過程將雜質引入其中后可導電。在2000年諾貝爾獎的頒獎禮后，聚合物研究的這個領域又一次高潮涌起。

這·過程不僅能使其他類似聚合物導電，其中一些甚至還可以轉化為發(fā)光二極管（LED），提升了可彎曲電腦屏幕的前景。

聚合物仍然面臨來自同行各業(yè)的巨大挑戰(zhàn)和激烈競爭，例如硅和有機發(fā)光二極管。不過，要尋找便宜的可彎曲電子設備替換件，聚合物是很好的選擇，因為它們很容易在溶液中進行處理，并且可以用來3D打印。

在半導體中，聚合物可以作為其他物質的載體，例如導電油墨。這種將聚合物作為導電部分仍然需要大量研究。

5.智能聚合物和反應性聚合物

（Smart And Reactive Polymers）

凝膠和合成橡膠可輕松地對外部的刺激做出形狀上的調整，這也意味著它們能夠對環(huán)境的改變做出響應。外部的刺激通常會是溫度或酸堿性的改變，也可能是光、超聲波或者化學藥劑。在設計智能傳感器的材料、藥物運輸設備和眾多其他應用程序上，這也被證明是非常有用的。

如果刻意設計，可以極大地擴展聚合物對各種刺激的本能反應。例如，機械響應聚合物（mechanophors），通過分子單位收到機械力可以改變聚合物的性質。這些是具有廣闊潛力的工業(yè)應用，特別是將自愈技術加入以后。

其他智能聚合物的應用還有許多，包括窗戶臟后可以自動擦窗戶的鍍膜，以及當傷口愈合時自動消失的醫(yī)療針。