赫尔曼·施陶丁格是一位和平主义者，但这是他决心赢得的一场战斗。1920年，这位德国化学家提出，聚合物——包括橡胶和纤维素在内的广泛化合物——是由通过强大的化学键连接的相同小分子的长链组成的。他的大多数同事认为这是胡说八道，并认为聚合物仅仅是小分子的松散聚集。施陶丁格拒绝退缩，引发了长达十年的争执。
最终，实验室数据证明他是正确的。他因其工作而获得了1953年诺贝尔化学奖，合成聚合物现在无处不在：去年，世界生产了约3亿吨合成聚合物。施陶丁格假设的分子链已经进入了现代生活的几乎所有方面，从衣服、油漆和包装到药物输送、3D打印和自修复材料。甚至波音公司最新的客机787梦想飞机的重量也有一半是由聚合物基复合材料构成的。
那么，聚合物的下一步发展方向是什么？本周将揭晓一些答案，届时美国国家科学基金会组织的十年一次的研讨会将试图调查哪些新领域正在兴起。
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“总的趋势——仍在继续——是聚合物向传统上不属于它们的应用领域的扩展，”明尼阿波利斯明尼苏达大学的聚合物化学家、《Macromolecules》杂志的编辑蒂姆·洛奇说。 他说，这种扩展是由聚合物科学各个方面的进步推动的。研究人员开发了合成和分析分子的新方法，改进了理论模型，并创造了天然聚合物的类似物。洛奇说，与此同时，人们对这门科学的态度也发生了变化。大学不再认为聚合物科学对于学术界来说太脏、太实用和太工业化。“现在几乎每个化学系都有人在做聚合物方面的工作，”他说，而且聚合物的前沿工作越来越具有跨学科性。
这将是必要的。研究人员拥有越来越多的技术工具箱，可以用来构建聚合物链的化学结构，但他们通常无法预测所得化合物是否会具有特定性质，例如，膜或药物输送系统所需的特定性质。应对这一挑战将需要更深入地了解聚合物的化学结构如何在从纳米到米的各个尺度上决定其物理性质。
聚合物永存
聚合物无处不在——问题也由此产生。“我们日常生活中使用的大多数聚合物都来自石油基产品，尽管它们在使用中很耐用，但在废弃物中也很耐用，”明尼苏达大学可持续聚合物中心 (CSP) 主任马克·希尔迈耶说。据估计，所有塑料包装中有 86% 在被丢弃之前仅使用一次，从而产生一股持续存在于水道和垃圾填埋场中的废物流，释放污染物并危害野生动物。
《自然》，2016年8月17日 doi:10.1038/536266a
这就是为什么过去十年人们对由可再生资源制成且易于且无害地生物降解的聚合物产生了爆炸性的兴趣。基于天然淀粉的聚合物已经上市；合成聚乳酸 (PLA) 也是如此，它由乳酸或源自生物来源的乳酸制成，存在于从茶包到医疗植入物的各种产品中。
但希尔迈耶说，可持续聚合物仍仅占塑料总市场的不到 10%。一个障碍是它们成本太高。另一个障碍是天然聚合物的单体结构单元往往比石油的化石碳氢化合物含有更多的氧原子。这会影响聚合物的性能——例如，使材料变硬——这使得它们难以直接替代廉价且柔韧的塑料，如聚乙烯和聚丙烯。将天然聚合物转化为与传统聚合物完全相同的分子匹配需要一些精密的化学技术。
一种替代方法是通过将可持续聚合物（如 PLA）与传统聚合物混合来增强其性能。这种方法通常有缺点，例如使某些塑料的透明度降低。但 CSP 研究人员通过添加仅占重量 5% 的低成本石油基聚合物来解决了这个问题，该聚合物包含一些疏水性（不溶于水）部分和其他亲水性（或溶于水）部分。这些添加剂聚集在一起形成球形结构，这使得 PLA 在不降低其透明度的情况下变得更坚韧。
希尔迈耶的团队还制造了一种部分可回收的聚氨酯泡沫，这种泡沫存在于许多产品中，包括绝缘材料、座垫和垫圈。这种聚氨酯的配方包括一种名为聚（β-甲基-δ-戊内酯）（PMVL）的低成本聚合物，该聚合物基于改性细菌制成的单体。将泡沫加热到 200°C 以上会分解聚氨酯，从而可以提取单体并再次使用。
这些可持续聚合物是否可以商业化还有待观察。“通常最大的挑战是进行规模化生产，这需要有利的经济条件，”希尔迈耶说。他认为，该领域需要建立通用的设计规则，以预测单体的化学结构如何影响聚合反应的速率、温度和产率，以及所得聚合物将如何与其他材料相互作用。他的团队已经为 PMVL 的成分制定了此类指南，并于去年在 CSP 成立了一家名为 Valerian Materials 的衍生公司，以利用这些原则。
一些研究人员正在探索另一种技巧：他们没有将生物衍生单体串联在一起，而是学习直接使用天然聚合物。例如，纤维素由葡萄糖分子串联成链组成，这些链又排列成构成植物坚硬细胞壁的强纤维或原纤维。在许多地方，纤维素链形成宽度达 20 纳米、长度达数百纳米的结晶块，可以从纤维素浆中化学提取。支持者表示，这些晶体可用于增强复合材料、形成绝缘泡沫、输送药物以及为组织修复提供支架等应用。
纤维素纳米晶体和更长的纳米原纤维现在已实现商业化生产，但商业应用尚未超出硬化纸张或增稠液体的范围。瑞士弗里堡大学阿道夫·默克尔纳米科学研究所所长克里斯托夫·韦德说，要降低成本并证明可持续聚合物的独特优势，还需要做更多的工作。“我们真的需要生物基聚合物的路线图，”他说。
亲身参与
在一个混乱的世界中，聚合物可以恢复一些秩序。聚合物膜已经充当分子筛，用于分离气体、淡化海水和在燃料电池内部保持分子分离。但洛奇说，它们未来可能会产生更大的影响。“有许多问题可以通过更好的膜来解决。”
使用膜分离混合物所需的能量要少得多，蒸馏是将液体加热以使其组分在不同温度下蒸发。与使用洗涤器相比，它也需要更少的空间，洗涤器是通过化学反应捕获污染物的装置。由聚合物制成的膜不仅可以大规模廉价制造，而且可以覆盖大面积区域，而不会产生让错误分子通过的结构缺陷。
气体分离膜已在工业上用于从天然气中分离氢气和二氧化碳。但改进后的膜可以解决更困难的任务，例如区分非常相似的碳氢化合物丙烷和丙烯。更坚韧、化学性质稳定的膜可以在更高的温度下运行，以去除热烟道气中的二氧化碳。
德克萨斯大学奥斯汀分校的膜化学家本尼·弗里曼希望改进天然气水力压裂作业产生的废水的处理，在水力压裂作业中，水被压入岩石中以将其裂开并释放天然气。使用后，水非常脏，以至于标准过滤膜很快就会堵塞，因此必须对水施加高压才能将其压过，并且必须用化学物质清洁膜，这会缩短其寿命。但弗里曼找到了一种规避该问题的方法，即为膜涂上一层薄如蝉翼的聚多巴胺涂层，这种涂层模仿了贻贝用来粘附在岩石上的防水胶。在德克萨斯州沃斯堡附近的水力压裂水处理厂进行的试点项目中，聚多巴胺涂层使将水压过膜所需的压力减半，这可能会产生更小、更高效的处理系统。该团队已经使用这些膜为美国海军建造装置，以便舰船可以在倾倒含油舱底水之前对其进行净化。
2015 年 12 月，美国总统政府启动了“水资源登月计划”，以提高水资源可持续性，作为该计划的一部分，美国能源部计划于 2017 年建立一个海水淡化研究中心。弗里曼说，聚合物膜将在该计划中发挥重要作用。“我们预计将看到扩大聚合物在该领域应用的努力大幅增加。”
为了设计更好的海水淡化膜，研究人员需要能够预测聚合物中带电化学基团的分布等因素如何影响其对离子的渗透性。今年早些时候，弗里曼和他的同事发表了他认为的第一个实现这一目标的模型，该模型可以使化学家能够通过调整膜的化学取代基和交联分子，将特定性质构建到膜中。“我的任务是让人们提出关于结构-性质关系的这类问题，这可以真正指导合成，”他说。
最终的分离膜可能只有一层分子厚。这些二维聚合物正乘着单层材料的热潮，这股热潮是在十多年前石墨烯被分离出来之后兴起的。
这种扁平聚合物不仅仅是普通线性聚合物的非常薄的薄膜。相反，它们具有本质上的二维化学结构，看起来像渔网，具有规则的、重复的网格，网格上布满了分子大小的孔。它们还可以在其表面携带各种化学装饰，因此可以精确设计每个孔，以允许某些分子通过并阻止其他分子通过。
但是，制造二维聚合物非常困难。如果生长网格中的一个孔以错误的方式闭合，膜可能会弯曲成三维混乱状态。瑞士苏黎世联邦理工学院的聚合物化学家迪特·施吕特在这个问题上工作了十多年，才在 2014 年取得成功。
他的方法依赖于诱导精心设计的单体形成晶体。然后，一束蓝光会引发同一平面内单体之间的化学反应，从而形成由堆叠的聚合物层组成的新晶体。这些晶体可以剥离下来，得到只有一层单体厚的单个二维片材。
施吕特和内华达大学雷诺分校化学系主任本杰明·金使用相同的方法，独立生产出不同类型的二维聚合物。现在，这两位研究人员成为了合作者，他们希望很快能够以公斤为单位批量生产这些片材，足以轻松地将样品分发给世界各地的研究小组。
施吕特承认，他对二维聚合物是否会蓬勃发展持怀疑态度。“但这很健康，”他说。“而且我非常固执——我不会放弃，我坚信这项发展具有巨大的潜力。”
定制聚合物
聚苯乙烯和聚乙烯等广泛使用的聚合物在某种意义上非常单调：它们一遍又一遍地重复相同的单体。与 DNA 的四声部交响曲相比，它们的单音调尤其单调，DNA 用 4 个单体编码整个基因组；或者蛋白质的巴洛克式杰作，从 23 种氨基酸中汲取灵感来构建复杂的 3D 结构。
聚合物研究中最具挑战性的前沿领域之一是以相同的精度定制合成聚合物，以便化学家可以微调其产品的电子和物理性质。“在过去五年中，这已变得非常流行，”法国斯特拉斯堡大学的大分子化学家让-弗朗索瓦·卢茨说。序列控制聚合物将包含按预定顺序排列的单体，形成长度非常特定的链。
去年，由马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的化学家耶利米·约翰逊领导的团队表明，他们可以通过迭代指数增长来实现这种控制——首先将两个不同的单体结合起来制成二聚体，然后连接两个二聚体以制成四聚体，依此类推。在循环之间修饰每个单体的化学侧链会增加复杂性，而半自动化系统可以使该过程不那么费力。
约翰逊目前正在研究他的序列控制聚合物如何用于药物输送。美国食品和药物管理局批准的十几种药物使用一种名为聚乙二醇的聚合物来保护它们免受人体免疫系统的攻击，提高其溶解度或延长其在体内的停留时间。约翰逊说，序列控制聚合物可以提供更可预测的生物效应，因为每条链的长度和形状都相同，并且可以仔细设计其化学性质，以最有效的方式帮助其药物有效载荷。
序列控制聚合物还可以以比传统半导体技术更紧凑和廉价的形式存储数据，其中每个单体代表一位信息。去年，卢茨展示了朝着该目标迈出的关键一步。他使用两种类型的单体来表示数字 1 或 0，并使用第三种单体来充当它们之间的间隔物。这些单体包含化学基团，这些化学基团使它们只能连接到生长的聚合物，而不是彼此随机反应。可以通过观察聚合物在质谱仪内部如何分解来读取 1 和 0 的字符串。
本月早些时候，卢茨表明，不同的聚合物链库可以编码 32 位消息。与已存储在人造 DNA 分子中的 1.6 吉比特数据相比（参见go.nature.com/2b2ve0u），这相形见绌。但是，聚合物数据存储的发展势头正在增强。今年 4 月，美国情报高级研究计划署 (IARPA)（一个为情报部门资助高风险研究的美国机构）邀请了生物技术、半导体和软件行业的代表参加了关于该主题的研讨会。“有一个充满活力且不断壮大的研究人员社区正在从事这项工作，”帮助组织研讨会的 IARPA 技术顾问戴维·马科维茨说。
但是，这种方法仍然面临巨大的技术挑战：目前的合成技术太慢且成本太高。解决数据存储问题以及聚合物前沿的许多其他问题的关键将是开发更好的方法来预测聚合物的性质并微调其生产。这将需要共同努力。“我们需要与物理学家、材料科学家、理论化学家建立合作，”卢茨说。“我们需要建立一个新领域。”
本文经许可转载，并于 2016 年 8 月 17 日首次发布。