聚合物科学的一个世纪:关键发展的回顾欧洲杯线上买球

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一百年前的1920年，德国化学家赫尔曼·施陶迪格（Hermann Staudinger）发表了他的经典论文《Über聚合》（“关于聚合”）。在那篇论文中，他提出了橡胶的链结构，每个链状分子由许多相同的化学单元（异戊二烯单体）组成。他还声称，橡胶不寻常的拉伸强度和弹性是由于这些链的长度很长，或者像今天的聚合物科学家所说的，是由于它们的高分子量，以及每个分子中的亚基之间大量的碳-碳双键。

几年后，Staudinger将这种高分子量的链状分子称为“Makromolek”ul”(“高分子”)。经过长时间的争论，Staudinger的大分子理论最终被科学界所接受。这导致了20世纪一些最深刻的科学发展^th影响着我们生活的方方面面。

自19^th世纪，研究人员报告了一些天然产品如橡胶、纤维素、树脂和蛋白质的分子量异常高。普通有机物质，包括酒精、汽油或糖，其分子量在50 - 500之间。对于有问题的天然有机产品，范围从5万到几百万。

在某些方面，这些有机产品的行为类似于无机胶体——它们可以以扩散性极低的巨大颗粒存在于溶液中。当时，想象具有相当大尺寸的分子能够稳定存在是一个挑战。相反，许多著名的有机化学家，如沃尔夫冈·奥斯特瓦尔德（Wolfgang Ostwal欧洲杯猜球平台d）、汉斯·普林斯海姆（Hans Pringsheim）和Kurt Hess提出了由强大的分子间聚集力将小得多的分子聚集在一起的团簇或聚集体的概念。

Staudinger强烈反对无机胶体与有机高分子量物质之间的类比。他认为，有机物的所有物理和化学性质都是由其内在的分子结构来定义的，而不是由分子外部的物理力来定义的。这引发了一场旷日持久的胶体/高分子辩论。

橡胶:从小分子到大分子

1922年至1930年间，Staudinger继续他的化学改性橡胶实验，并在19篇论文中发表了他的发现，在论文中他彻底研究了催化氢化天然橡胶的性能。他的研究结果表明，饱和橡胶中双键的丧失并不影响材料的“胶体性质”。他坚信这证明了橡胶分子的组成部分之间存在共价键。

x射线照射在纤维素纤维中不寻常的衍射图案

在20世纪的头几十年^th在本世纪，新的物理方法，如x射线和电子衍射，被用来研究天然纤维(纤维素)，橡胶和蛋白质。当Staudinger发表他关于橡胶改性的发现时，Reginald O. Herzog和W. Jancke通过x射线衍射研究了纤维素纤维的结构。他们观察到不寻常的衍射图案，它是由四个对称排列的扩散点组成的。

随后，Michael Polanyi对这些衍射图进行了解释，他认为至少有一部分纤维素材料是结晶的，由长链葡萄糖环或二聚体环组成。尽管结论模棱两可，但波兰尼的解释是建立大分子理论的重要一步。

在1925年到1926年间，波兰尼的同事J.R. Katz, E.A. Hauser和H. Mark观察到拉伸橡胶的x射线衍射图显示出一种可能与部分结晶材料有关的模式。这一结果支持了这样一种观点，即柔性大分子链，当暴露于机械变形时，可以被有序地排列成细长的、内部有序的、定向良好的束。

大约在那个时候，跨大西洋对高分子量材料的研究正在加快步伐。1926，O. L. Sponsler和W. H. Dor欧洲杯足球竞彩e在洛杉矶加利福尼亚大学工作，展示了纤维素分子的一个综合结构——一个由共价键连接的葡萄糖环链。

1928年，杜邦公司(DuPont Company)的华莱士·h·卡罗瑟斯(Wallace H. Carothers)开始了雄心勃勃的系统研究，试图通过已建立的有机反应合成具有特定结构的新材料。欧洲杯足球竞彩结果，他发明了一种新型的全合成聚合物，称为聚酰胺，或“尼龙”，它可以熔化并拉伸成一种非常强的纤维。更重要的是，在没有进一步批评的情况下，他的研究结果帮助确立了大分子是有机物的基石这一观点。

聚合物的黄金时代

“聚合物”一词是由Jöns Jacob Berzelius在19世纪30年代提出的，用来描述重复排列相同原子团的分子。他认为苯（C_6.H_6.)为乙炔(或乙炔，C_2.H_2.)．多年来，这个词涵盖了越来越大的分子，直到最后它被用来表示由多个碱基组成的长而灵活的大分子，称为“单体”(monomers)(来自希腊语:monos -“一”和meros -“部分”)。大分子本身变成了“聚合物”(poly在希腊语中是“许多”的意思)。

20世纪30年代和40年代标志着新型合成聚合物发展的黄金时代。学术和工业实验室的科学家们正从丰富而廉价的原料中合成新的单体。欧洲杯足球竞彩同时,聚合过程的顺序(连锁聚合过程中,单体附加到活动结束的聚合物链增长)和缩聚(一个阶梯式生长过程,结合两个或两个以上不同单体的交替结构)精炼提高效率和产量。

为更好地表征聚合物大分子的微观结构，开发了新的方法。这反过来又允许通过调整聚合物链的结构和排列来设计具有特定物理和化学性质的聚合物。

聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)、尼龙纤维和氯丁橡胶(第一种合成橡胶)、聚四氟乙烯(PTFE或“Teflon”)和聚苯乙烯(PS)的出现彻底改变了人造纤维、薄膜、塑料、橡胶、涂料和粘合剂的生产。这些新的合成材料与它们的原材料(通常是石欧洲杯足球竞彩油或天然气)没有相似之处。它们的表现比天然的同类要好，同时又更便宜、更容易获得。

第二次世界大战期间不断增长的汽车工业和橡胶需求刺激了人工橡胶的大规模生产。

合成纤维、合成橡胶和新型功能材料的蓬勃发展给聚合物工业上了至关重要的一课:基础研究可以导致产品取代天然材料。欧洲杯足球竞彩

聚合物科学家的科学认识

应用研究和基础研究的结合有时能获得诺贝尔奖。

Hermann Staudinger因其毕生在大分子化学领域的工作而于1953年获得诺贝尔化学奖。

1963年，卡尔·齐格勒(Karl Ziegler)和朱利奥·纳塔(Giulio Natta)获得了诺贝尔化学奖，以表彰他们发明了一种催化过程，使科学家能够在室温和大气压下进行良好控制的聚合。这为大规模生产聚乙烯和聚丙烯这两种最广泛使用的商品聚合物铺平了道路。

保罗·j·弗洛里(Paul J. Flory)因其对聚合物科学的基础性贡献而于1974年获得诺贝尔化学奖。欧洲杯线上买球他在发展对聚合物大分子行为的现代理解方面发挥了重要作用。他的研究表明，聚合物中单个分子的链长不同，合成聚合物的性质只能描述为“平均”性质。这些想法被进一步发展为“分子量分布”的概念，这是聚合物材料的基本特性之一。欧洲杯足球竞彩

什么是生物聚合物？

生物聚合物是地球上所有生命的基础。多肽（蛋白质）和多核苷酸（DNA和RNA）主宰着生命的功能和信息机制，而多糖（糖）在物理结构、能量储存和分子间相互作用中起着重要作用。

1963年，诺贝尔生理学和医学奖授予弗朗西斯·克里克(Francis h.c. Crick)、詹姆斯·沃森(James D. Watson)和莫里斯·h·w·威尔金斯(Maurice H. W. Wilkins)，以表彰他们在20世纪50年代对核酸结构的研究。核酸是所有信息生物聚合物中最重要的。

对有机电子和有机发光二极管的兴趣日益增长

20世纪70年代中期，艾伦·j·希格(Alan J. Heeger)、艾伦·g·麦克迪米德(Alan G. MacDiarmid)和白川英树(Hideki Shirakawa)因发现掺杂聚乙烯(或聚乙炔)的高导电性而被授予2000年诺贝尔化学奖。这激发了人们对有机导电聚合物领域日益增长的兴趣，这种聚合物可以定制，以实现所需的电子和光学功能。在微电子技术中有机化合物的使用导致了用于现代显示技术的有机发光二极管(OLEDs)和高性能锂聚合物电池的发展。

对聚合物的环境影响

聚合物的使用仍在扩大，随着全球每年数亿吨的生产，合成聚合物已成为世界上所有工业化国家经济中的一个重要因素。这就产生了一个主要的环境问题，即如何处理这种不可生物降解的垃圾。虽然回收已经成为一个主要的行业，但它受到可回收材料市场的限制，只有有限种类的聚合物有利可图。欧洲杯足球竞彩

长聚合物链释放小分子

长聚合物链的工业合成是一个随机的过程，通常会在最终产品中留下一些对环境有害的未反应单体。甲醛、苯乙烯(例如用于食品容器的聚苯乙烯)、氯乙烯和双酚a(来自聚碳酸酯)是已知的致癌物。其他聚合物含有改性剂(增塑剂、阻燃剂、紫外线保护剂等)来改变其性能。许多单体和改性剂分子足够小，能够通过聚合物基体扩散，并最终释放到与聚合物接触的任何液体或空气中。

环境中的微塑料及合成聚合物的生物降解前景

越来越多的人担心这些不可生物降解的聚合物被丢弃在垃圾填埋场或漂浮在海洋中。在阳光的催化下，这些塑料会受到风化作用和部分光解作用，产生小到几微米的塑料碎片，释放在地下水或海洋栖息地中。其中许多物质的密度比水还小，欧洲杯足球竞彩一旦进入水生系统，它们往往会无限期地留在那里。水生动物也会误吞更大的塑料垃圾碎片。

未来的希望在于，人们将大量的精力投入到寻找合成有机聚合物的生物降解方法上。生物降解过程涉及微生物(如细菌、真菌和酵母)，它们可以将有机大分子分解成小分子量的碎片，这些碎片可以进一步有氧或厌氧降解，生成二氧化碳(CO_2.),甲烷(CH_4.)还有水。

特别有趣的是合成石油衍生聚合物的生物降解，如聚乙烯(PE)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)。这相当于全球商品聚合物产量(和废弃物)的60%。

2016年，京都理工学院的Shosuke Yoshida和他的同事报告了一种新分离的微生物，可以有氧降解PET到小分子量产品。这种细菌使用两种独立的水解酶，分两步分解PET聚合物链。这种细菌利用生成的产物乙二醇和对苯二甲酸(PET单体之一)作为CO的能源_2.和水作为最终产物。

与含有可水解键的聚合物(如PET)相比，非水解聚合物(PE, PP和PP)明显更难分解。然而，在2018年，斯坦福大学的科学家发现，粉虫甲虫幼虫肠道中的微生物能够将PS和PE解聚成小分子量的中间体，这些中间体可以作为幼虫代谢的主要能量来源。

这些显著的发现为创造转基因微生物酶提供了可能性，这种酶对合成聚合物具有增强的有氧或厌氧活性。这将使有机废物的有氧生物降解速度大大加快。更重要的是，用于厌氧降解这些材料的酶系统的发展将导致甲烷气体的生产，可以作为可再生燃料收集。欧洲杯足球竞彩

下面的视频着眼于聚合物科学的未来及其对社会的影响:欧洲杯线上买球

视频来源:高级科学新闻/YouTube.com欧洲杯线上买球

参考资料及进一步阅读

Holger Frey和Tobias Johann，庆祝“聚合物科学”100周年:Hermann Staudinger的1920宣欧洲杯线上买球言。变异较大。化学。， 2020, 11, 8。可在:DOI: 10.1039/C9PY90161B

《高分子科学先驱》，Raymond B.欧洲杯线上买球 Seymour主编，Kluwer学术出版社，1989。可在:DOI 10.1007/978-94-009-2407-9

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古川安，《聚合物科学:从有机化学到跨学科科学》欧洲杯线上买球，《20世纪化学科学:桥梁的边界》，C. Reinhardt (Ed.)， WILEY‐VCH Verlag GmbH, 2001。可以在:https://doi.org/10.1002/9783527612734.ch12

S. Yoshida等人，降解和同化聚对苯二甲酸乙酯的细菌。欧洲杯线上买球2016, 351, 1196-1199. 可访问：DOI 10.1126/science.aa欧洲杯线上买球d6359。

A. M. Brandon等，聚乙烯和塑料混合物在粉虫(幼虫)中的生物降解黄粉虫)及对肠道菌群的影响。环绕。科学。技术经济与管理，2018,52,11,6526-6533。可在:DOI 10.1021/acs.est.8b02301。

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