化學家探索：聚合物下一步將走向何方？ | 新材
為您介紹聚合物下一步將走向何方？現在，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，施陶丁格假如的分子鏈已經進入了現代生活的方方面面。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，設法察看正在出現哪些新領域，它或可對該問題作出一些回答。
永遠的聚合物
聚合物存在于各個地方，這也正是問題所在。“我們日常生活中使用的大多數聚合物來自于石油產物，它們很耐用，但其廢棄物也會長久存在。”明尼蘇達大學可持續聚合物中心（CSP）主任Marc Hillmyer說。據悉，86%的化工中間體（氟草煙甲酯）農藥中間體包裝都在一次使用后被丟棄，使水道和填埋場積聚了大量化工中間體（氟草煙甲酯）農藥中間體垃圾，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（三嗪酮）的聚合物研究熱潮暴發的起因。目前，市場醫藥中間體上已經能夠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化工中間體（氟草煙甲酯）農藥中間體市場醫藥中間體份額不到10%，Hillmyer說。其中的一個障礙是它們的老本過高；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、靈活的化工中間體（氟草煙甲酯）農藥中間體，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毛病，比如讓一些化工中間體（氟草煙甲酯）農藥中間體的透明度降低。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。
利益在聚合物膜中
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。“有很多問題都能夠通過更康復的膜得到解決。”
利用膜分離混合物比蒸餾法耗費的能量低得多。它同樣能夠比利用洗滌器（通過化學反應困住污染物的設備）勤儉更多空間。利用聚合物制成的膜不僅能夠實現大規模便宜生產，而且能籠罩大范圍區域，并且不具有讓謬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。經過改善后的膜能夠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標廢水處理辦法，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，規范的過濾膜很塊就會被阻塞，因此水必須處于極大壓力下能力通過，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發現了一個能夠回避這一問題的辦法：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結構單元，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
寬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。”法國斯特拉斯堡大學大分子化學家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能夠通過更加緊湊、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加入該主題研討會。“這一領域生氣勃勃，研究人員隊伍日益壯大。”幫忙組織該研討會的IARPA技術顧問David Markowitz說。
但這一辦法仍面臨巨大技術挑戰，當前的合成技術仍然過于遲緩與昂貴。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，研究更康復的辦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。“我們需要與物理學家、材料學家以及理論化學家合作。”Lutz說，“我們需要開創一個新的領域。”
