塑料革命呼之欲出——化学家探索下一代聚合物新极限

      赫尔曼·施陶丁格是一位和平主义者,但这一战他必须胜利。1920年,这位德国化学家提出聚合物由类似的小分子长链构成,这些小分子由牢固的化学键相连接。但绝大多数同行却认为这种观点没有任何合理性,并认为聚合物仅是小分子的松散集合。施陶丁格拒绝让步,从而引发了长达10年的争议。

  最终,实验室数据证明他是对的,这使他获得了1953年诺贝尔化学奖。现在,合成聚合物已经无处不在:去年,全球生产的人工聚合物约为3亿吨。如今,从服装、颜料和包装到给药、3D打印以及自我愈合材料,施陶丁格假设的分子链已经进入了现代生活的方方面面。基于聚合物的复合材料甚至构成了波音企业最新客机 “梦幻客机”787的一半材料。

  那么,聚合物下一步将走向何方?近日,美国国家科学基金会组织了10年一次的盛会,设法观察正在出现哪些新领域,它或可对该问题作出一些回答。

  “总体的趋势是聚合物的应用将会继续扩张到传统上它们并未发挥作用的领域。”明尼波利斯明尼苏达大学分子化学家、《大分子》期刊编辑Tim Lodge说。这种扩张一直以来受到各领域聚合物科学发展的驱动。“现在,几乎每个化学系都有聚合物研究的员工。”他说,聚合物前沿领域的研究日益呈现跨学科性质。

  研究人员掌握的制作聚合物链化学结构的技术越来越多,但是他们经常不能预测生产的聚合物是否拥有膜或是给药系统所需要的专门特征。克服这些挑战将需要对聚合物化学结构如何影响从纳米到米等各个层面的物理特征有更深入的了解。

  永远的聚合物

  聚合物存在于各个地方,这也正是问题所在。“大家日常生活中使用的大多数聚合物来自于石油产物,它们很耐用,但其废弃物也会持久存在。”明尼苏达大学可持续聚合物中心主任Marc Hillmyer说。据悉,86%的塑料包装都在一次使用后被丢弃,使水道和填埋场积聚了大量塑料垃圾,释放出的污染物危及野生动物生存。

  这正是过去10年可再生资源和易于生物降解的聚合物研究热潮爆发的原因。目前,市场上已经可以看到基于天然淀粉的聚合物,此外还包括由丙交酯或乳酸加工的合成聚交酯,后者可见于茶叶袋和医疗埋植体。

  但是,可持续聚合物占有的整体塑料市场份额不到10%,Hillmyer说。其中的一个障碍是它们的成本过高;另一个问题是天然淀粉的单分子体构建模块比石油化石氢碳化合物含有更多的氧原子。这会影响聚合物的特征,如使材料变硬,很难直接替换价格低廉、灵活的塑料,如聚苯乙烯和聚乙烯。

  其中的一个选择是通过将其与传统聚合物混合,强化PLA等环境可持续性聚合物。但这种方式有着明显的缺点,比如让一些塑料的透明度降低。CSP研究人员通过在其中加入5%的一种低价石油聚合物克服了这一问题。这些添加的物质形成了球形的结构,可使PLA的耐用性显著提高,同时不降低其透明度。

  Hillmyer的团队还制作了一种部分上可回收的聚氨酯泡沫塑料,该塑料可用于绝缘体、座垫以及垫圈等大量产品。这种聚氨酯塑料的成分包括一种叫作聚酯的低成本聚合物,该聚合物以经过编辑的细菌单分子为基础。

  将这种泡沫塑料加热到200℃,就能使聚氨酯分解,萃取出的单体分子可重新利用。然而,这些可持续性的聚合物能否商业化仍要拭目以待。“很多时候,最大的挑战就是大规模生产,这需要有经济上的优势。”Hillmyer说。

  利益在膜中

  在这个混合物构成的世界中,聚合物能够恢复一定秩序。聚合物膜已经能够用作分子“筛子”分离气体、海水脱盐以及让燃料细胞内的分子保持隔离。它们在未来将会有更大影响,Lodge说。“有很多问题都能够通过更好的膜得到解决。”

  利用膜分离混合物比蒸馏法耗费的能量低得多。它同样可以比利用洗涤器节省更多空间。利用聚合物制成的膜不仅可以实现大规模低价生产,而且能覆盖大范围区域,并且不具有让错误分子通过的结构性缺陷。

  可分离气体的膜已经应用于工业,可分离天然气中的氢和二氧化碳。经过改善后的膜可以应对更加棘手的任务,比如分辨类似的碳氢化合物丙烷和丙烯。化学上更加强大的膜能够在更高的温度下操作,从而去除烟道气中的二氧化碳。

  得克萨斯大学奥斯汀分校膜化学家Benny Freeman希翼改善天然气压裂项目的废水处理方法,这些项目中的水通过压力被灌入岩石内使其裂开,从而释放出天然气。经过使用后的水会变得很脏,标准的过滤膜很块就会被阻塞,因此水必须处于极大压力下才能通过,而所用的膜也必须用化学物质清理,这会使其寿命缩短。

  但是Freeman发现了一个可以回避这一问题的方法:模仿让蚌黏附在岩石上的防水胶,在膜上加一层薄如蝉翼的仿生聚多巴胺膜表层。该团队已经将这些膜用于美国海军的一些构造单元,从而在倾倒船舱底部的含油污水前先对其进行净化。

  聚合物前沿

  广泛使用的聚合物如聚苯乙烯和聚乙烯在一个方面可谓单调至极:它们会重复同样的单体结构。这种单调性与DNA的“四声道交响乐”相比显得尤其乏味,后者由4个单体编码基因组;它与蛋白质的复杂杰作相比则更为单调,一个蛋白质是由23种氨基酸形成的复杂的3D结构。

  聚合物最具挑战性的一个前沿是将合成聚合物以同样的精准度剪裁,这样化学家就能调整其产品的电子和物理特征。“过去5年,它已经变得非常时髦。”法国斯特拉斯堡大学大分子化学家Jean-Francois Lutz说。由序列控制的聚合物能够以预定的顺序包含单体,形成特定长度的纤维。

  与传统半导体技术相比,控制序列的聚合物还可以通过更加紧凑、价格低廉的方式储存数据,每个单体分子代表1比特信息。8月初,Lutz展示了一系列不同的聚合物纤维能够编码32比特的信息。

  聚合物信息储存正在蓄力发展。今年4月,美国资助科学界高风险研究的机构——情报先进研究计划署召集生物技术、半导体以及App行业的专家参加该主题研讨会。“这一领域生气勃勃,研究人员队伍日益壮大。”帮助组织该研讨会的IARPA技术顾问David Markowitz说。

  但这一方法仍面临巨大技术挑战,当前的合成技术仍然过于缓慢与昂贵。解决数据储存以及聚合物前沿领域许多其他问题的关键在于,研究更好的方法预测聚合物的特性以及调整相关生产。这将需要多方合力。“大家需要与物理学家、材料学家以及理论化学家合作。”Lutz说,“大家需要开创一个新的领域。”

 

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