重塑世界的五种合成材料

如图所示：波音“梦幻客机”的内部：从这里我们能够看到未来高分子聚合物的身影。图片来源：Jordan Tan

1939-40年的纽约世博会作为有史以来最伟大的一届世博会之一，吸引了诸多游客们慕名前往位于昆斯市的法拉盛草原可乐娜公园。在“明日世界”中，游客们首次目睹到了诸如电视、视频电话和福特野马等当代尖端科技。

这也是人们第一次见识了世界上第一种全部由人工合成的纤维——尼龙。由编织机演示的将尼龙缝制到连裤袜里面，就像两个模型机展示了一场面料的拉锯战。尼龙是 由华莱士•卡罗瑟斯（Wallace Carothers）领导的一个杜邦公司的科研机构于此四年之前研制成功，在世博会上作为新的针织类产品面市。“全部由诸如煤炭、水和空气这类常用原材料 制成”的细丝，却有如钢铁般的力量。

仅在第一年，杜邦公司就售出6千4百万双尼龙丝袜，它的面市取得了巨大的成功。尽管有时不那么时髦或者 实用，但相比那些蚕丝之类的自然产品，尼龙因为有着更为优越的质量，从而在许多方面被投入使用。时至今日，尼龙仍然被广泛应用于纤维织物、家居装饰用品、体育用品、乐器的弦和汽车零部件中。

尼龙像iPhone一样畅销。图片来源：Rebecca Abell

自从全合成材料萌芽初现，相关的研发进展已达到了材料史上空前的地步。针对某一特定的用途，化学家们新发现的催化剂和新研发的合成方法，用以帮助小分子正确地契合到聚合物的长链中。如我们平时制作地毯所使用的聚丙烯纤维，以及各种坚硬的用于制作塑料瓶的聚乙烯。

物理学家、材料学家和工程师们也设计出新的处理方法和新技术来提高性能，用以生产出像凯夫拉（kevlar）一样的超级牢固的物质。

不容置疑，我们在同一时间内的要求会越来越多。希望产品在进一步提高我们的生活质量的同时，其用料和技术都能够走向节能、可持续发展和减少全球性的污染。这是一个挑战。

这里我们将介绍塑造全新未来的五类聚合物：

1. 生物塑料（Bioplastics）

众所周知，不能被降解的塑料是一种常见的环境污染来源。更糟糕的是，这些我们称之为单体的塑料的构件，来自不能再生的远古的原油。

感谢在生产过程中使用的酶和催化剂，它们使得这种情况开始发生改变。未来极有可能将诸如沼气等可再生能源转化为制造塑料和合成橡胶的主要构件。

由于保存了化石原料，这些材料将变得可持续，但这只是解决了部分问题。除非它们也能够被生物降解，否则，对于环境来说它们仍然是一个问题。

长在树上的塑料杯！图片来源：photokup

2. 塑料复合材料/纳米复合材料（Plastic Composites/Nanocomposites）

塑料复合材料是由不同纤维构成的更加坚固或有弹性的塑料。举个例子，你在聚合物中镶嵌一些碳纤维来增加强度，可以制造出一种用于现代节能型交通工具的轻质材料。

这类纤维增强塑料（fibre-reinforced plastics）的使用正在快速发展，特别是在航空航天工业（波音787和空客A360都有50%的复合材料）。如果不是由于成本过高，这些材料将被用于所有的运输工具。

最新出现的纳米复合材料，用微粒子代替了其他包括了石墨烯在内的物质来加强塑料。这种新材料用途潜力无穷，从风力涡轮叶片上轻量传感器到电量更足的电池，再到植入人体的用于加速骨折恢复的支架。

如果我们成功地将纳米复合材料在严密控制的工作条件下加工生产，将是令人心潮澎湃的一件事情。如果我们观察自然材料例如木材的结构，你会发现它们惊人得复杂。相比之下，我们现有的复合材料和纳米材料是那么得不成熟。

3.有自愈能力的聚合物（Self-Healing Polymers）

基于对承受机械压力以及环境适应能力的考量。无论我们如何如何仔细地为工程应用挑选材料，在撞击或疲劳等因素所造成的老化、退化和机械完整性损失的影响下，这些材料都会不可避免地失败。而我们不仅要付出昂贵的花费，有时还会带来一场灾难，就像2010年在墨西哥湾“深水地平线”钻井平台爆炸事件那样。

源于生物系统的灵感，科学家正在研发具有自愈能力的新材料。这可以用修复以往被人们认为不可逆转的损伤。尽管聚合材料不是唯一拥有自愈能力的材料，但是它在这方面尤为擅长。距离世纪之初这一能力第一次被发现，短短几年内，他们已经提出了多项创造性的治疗系统视频链接 ：**** （注：大陆访问YouTube网站需要翻墙）

由于有自我修复能力的聚合物所需要的设计比以往的聚合物要复杂的多，要想将这些概念推广大量应用，仍旧是个巨大的挑战。但这似乎是生产既耐用又能容错的材料的最终路线，可用于包括镀膜、电子产品和运输之类的产品。

4. 塑料电子（PlasticElectronics）

大多数聚合物是不导电的绝缘体。艾伦•麦克戴米德（Alan MacDiarmid）、艾伦•黑格（Alan Heeger）和白川英树（Hideki Shirakawa）发现了一个名为聚乙炔的聚合物，通过掺杂过程将杂质引入其中后可导电。在2000年诺贝尔奖的颁奖礼后，聚合物研究的这个领域又一次高潮涌起。

这一过程不仅能使其他类似聚合物导电，其中一些甚至还可以转化为发光二极管（LED），提升了可弯曲电脑屏幕的前景，如下所示。

Plastic Logic展示的可弯曲屏幕。图片来源：CC BY-SA

聚合物仍然面临来自同行各业的巨大挑战和激烈竞争，例如硅和有机发光二极管。不过，要寻找便宜的可弯曲电子设备替换件，聚合物是很好的选择，因为它们很容易在溶液中进行处理，并且可以用来3D打印。

在半导体中，聚合物可以作为其他物质的载体，例如导电油墨。这种将聚合物作为导电部分仍然需要大量研究。

5. 智能聚合物和反应性聚合物（Smart And Reactive Polymers）

凝胶和合成橡胶可轻松地对外部的刺激做出形状上的调整，这也意味着他们能够对环境的改变做出响应。外部的刺激通常会是温度或酸碱性的改变，也可能是光、超声波或者化学药剂。在设计智能传感器的材料、药物运输设备和众多其他应用程序上，这也被证明是非常有用的。

如果刻意设计，可以极大地扩展聚合物对各种刺激的本能反应。例如，机械响应聚合物(mechanophors)，通过分子单位收到机械力可以改变聚合物的性质。这些是具有广阔潜力的工业应用，特别是将自愈技术加入以后。

其他智能聚合物的应用还有许多，包括可以窗户脏后自动擦窗户的镀膜，以及当伤口愈合时自动消失的医疗针。