智慧型材料時代

關於智慧型材料時代，高分子化學作為化學的一個分支，同樣也是從事製造和研究分子的科學，但其製造和研究的對象都是大分子，即由若干原子按一定規律重複地連線成具有成千上萬甚至上百萬質量的、最大伸直長度可達毫米量級的長鏈分子，稱為高分子、大分子或聚合物。既然高分子化學是製造和研究大分子的科學，對製造大分子的反應和方法的研究，顯然是高分子化學的最基本的研究內容。

基本介紹

• 中文名：智慧型材料時代
• 外文名：Era of intelligent materials

高分子化學的發展歷程

發展初期

早在19世紀中葉高分子就已經得到了套用，但是當時並沒有形成長鏈分子這種概念。主要通過化學反應對天然高分子進行改性，所以稱這類高分子為人造高分子。比如1839年美國人Goodyear發明了天然橡膠的硫化；1855年英國人Parks由硝化纖維素（guncotton）和樟腦（camphor）製得賽璐珞（celluloid）塑膠；1883年法國人de Chardonnet發明了人造絲rayon等。可以看到正是由於採用了合適的反應和方法對天然高分子進行了化學改性，使得人類從對天然高分子的原始利用，進入到有目的地改性和使用天然高分子。

回顧過去一個多世紀高分子化學的發展史可以看到，高分子化學反應和合成方法對高分子化學的學科發展所起的關鍵作用，對開發高分子合成新材料所起的指導作用。比如20世紀70年代中期發現的導電高分子，改變了長期以來人們對高分子只能是絕緣體的觀念，進而開發出了具有光、電活性的被稱之為“電子聚合物”的高分子材料，有可能為21世紀提供可進行信息傳遞的新功能材料。因此當我們探討21世紀的高分子化學的發展方向時，首先要在高分子的聚合反應和方法上有所創新。

發展後期

對大品種高分子材料的合成而言，21世紀初，起碼是今後10年左右，metallocene催化劑，特別是後過渡金屬催化劑將會是高分子合成研究及開發的熱點。活性自由基聚合，由此而可能發展起來的“配位活性自由基聚合”，以及陽離子活性聚合等是套用烯類單體合成新材料（包括功能材料）的重要途徑。對支化、高度支化或樹枝狀高分子的合成及表征，將會引起更多的重視。因為這類聚合物的結構不僅對其性能有顯著的影響，而且也可能開發出許多新的功能材料。

高分子化學的創新研究

高分子化學作為材料科學的一個支撐學科，其發展事實已經表明，化學方法製造出來的聚合物，當其作為高分子材料使用時，其作用和功能的發揮，不只是單靠由化學合成決定的一級結構，即分子鏈的化學結構，還要靠其高級層次上的結構，即靠高分子聚集體中由物理方法得到的、非化學成鍵的分子鏈間的相互作用的支撐和協調。有的時候這種高分子聚集體和這些高級結構，如相態結構和聚集態結構，對高分子材料、尤其是高分子功能材料的影響更為明顯。這種物理方法得到的非化學成鍵的、分子鏈間的相互作用的形成，可以通過所謂的物理合成或物理組合的方法來實現，即用物理方法將一堆分子鏈依靠非化學成鍵的物理相互作用，聯繫在一起成為具有特定結構，如超分子結構的高分子聚集體，從而顯示出特定的性質。因此21世紀的高分子化學除了製造和研究一個分子鏈，還應包括製造和研究“一堆”分子鏈，在化學合成之外包括物理合成，在分子層次的研究之外還要有分子以上層次的研究。

因而以精確設計和精確操作為基本思路來發展和完善化學和物理的這種結合，也是21世紀的高分子化學研究，尤其是高分子材料研究中一種值得注意的方向。

高分子材料的納米化

現有的高分子化學反應中原子重新排列鍵合的反應空間一般都較原子尺寸大得多，因此化學反應是在一非受限空間進行的。如果在一有限空間或環境中，如納米量級的片層中，小分子單體因為與片層分子的物理相互作用而被迫在此受限空間中進行某種方式和程度的排列，然後再發生單體的聚合時，聚合產物的拓撲結構既不可能是受限空間的完全複製，又不同於自由空間中得到的情況。我們從這種受限空間的聚合反應也許可以提出高分子納米化學的概念。化學的製備對象從來都是納米量級的原子或分子，但由於其方法不夠精細，不能在納米尺度上實現原子或分子的有目的的精確操縱，因此即使可以做到分子的精確設計也較難實現，從而使得化學合成給人以粗放的感覺。高分子的納米化學，就是要按照精確的分子設計，在納米尺度上規劃分子鏈中的原子間的相對位置和結合方式，以及分子鏈間的相互位置和排列，通過納米尺度上操縱原子、分子或分子鏈，完成精確操作，實現納米量級上的高分子各級結構的精確定位。從而精確調控所得到的高分子材料的性質和功能。高分子納米化學的目的就是實現高分子材料的納米化。

高分子材料的納米化可以依賴於高分子的納米合成，這既包括分子層次上的化學方法，也包括分子以上層次的物理方法。利用外場包括溫度場、溶劑場、電場、磁場、力場和微重力場等的作用，在一確定的空間或環境中像搬運積木塊一樣移動分子，採用自組裝、自組合或自合成等方法，靠分子間的相互作用，構建具有特殊結構形態的分子聚集體。如果再在這種分子聚集體中引發化學成鍵，則能得到具有高度準確的多級結構的高分子。通過這種精確操作的高分子合成，可以準確實現高分子的分子設計。

高分子材料的納米化還可以通過成型加工的方式得以實現，即在成型加工過程中控制高分子熔體的流動，調節高分子的結構形態從而控制使用性質。高分子材料的納米化研究不僅應包括納米化製備方法，還不應忽略高分子材料的納米結構的觀察和納米性質的測量。因為結構和性能決定材料的使用價值。而高分子材料的納米化的結果，是使得表面層上和界面層上的結構和性能表現出特異性，這部分也是由於在表面和界面的尺寸限制下，高分子材料的相結構和形態發生突變所致。因此需要開展表面層上和界面層上的相結構、相行為及分子鏈動力學的研究，建立相應受限條件下的高分子材料的構效關係。採用的研究方法中，計算模擬和掃描探針技術等都是十分有用的。

智慧型材料中的高分子化學

如果說20世紀的人類社會文明的標誌是合成材料，那么下個世紀將會是智慧型材料的時代。在這個智慧型材料的時代，高分子化學同樣承擔著不可替代的作用。智慧型材料是材料的作用和功能可隨外界條件的變化而有意識的調節、修飾和修復。已經知道高分子具有軟物質的最典型的特徵，即易於對外場作出回響。軟物質（soft matter）是指易於發生變形的那類物質。軟物質不僅在一般的剪下作用下可發生畸變和流動，而且小的熱漲落也會對其性質帶來重要的影響。軟物質包括高分子、生物大分子、液晶、膠體及乳膠和微乳膠這類物質等。軟物質在物質科學的研究中被越來越多的提及，產生了研究軟物質的專門學科－－軟物理（soft physics）。軟物質可以用來研究凝聚態物理學中的一些核心問題，如對稱性（symmetry）、低能量激發（low－ener- gy excitation）和拓撲缺陷（topological defects）之間的聯繫。軟物質研究的另一方面的意義是軟物質的套用。前面提及的軟物質所包括的那些物質，實際都是有著明顯的使用價值。也許正是因為如此，又出現了材料科學變軟的提法。軟物質的研究雖然主要還是在凝聚態物理的學術圈中進行，但其研究領域則涉及數學、化學、化工、材料、生物及其交叉學科，被認為是下個世紀物質科學及其相關學科中的重點研究內容之一。因此在高分子化學的研究中，引進軟物質的概念，利用外場的變化構建高分子材料的特殊結構，實現外場作用下高分子材料的作用和功能的實時調製，應是高分子智慧型材料研究的重要內容。

廣義上的智慧型材料也應包括生命材料。由於生物大分子和合成高分子都屬於軟物質，因此軟物質科學的研究也有助於高分子生命材料的研究，雖然合成高分子也能模仿蛋白質分子的自組裝，但卻沒有蛋白質分子那樣的生命活性。這是因為合成高分子的分子鏈缺少確定的序列結構，不能形成特定的鏈摺疊。如果在合成高分子膜的表面附著上蛋白質分子或有特定序列結構的合成高分子，研究這些表面分子摺疊的方法、規律、結構和活性，形成具有生命活性功能，比如排斥和識別功能的軟有序結構，再通過化學環境、溫度和應力等外場來調節這些軟有序結構，從而控制外界信號向合成膜內的傳遞，實現生物活性的形成和調控，嘗試合成高分子生命材料。

高分子化學對資源的依賴

化學是製造和研究物質的科學。調節原子和分子在物質中的組合配置，控制物質的微觀性質、巨觀性質和表面性質，就可能使某種物質滿足某種使用要求，因而這種物質就能作為材料來使用。因此材料的製備對資源的依賴性和材料的使用與環境的協調性，就成為化學研究中一個獨特而又十分重要的方面。當代高分子合成材料依賴於石油這種化石資源。由於石油的生成是一個漫長的地質過程，同時石油又是當代人類社會的主要能源，石油資源正日益減少而又無法及時再生，因此尋找可以替代石油的其他資源，則成為21世紀的高分子化學研究中的一個迫切需要解決的問題。其解決的途徑可以是天然高分子的利用，也應包括合成無機高分子的探索。

21世紀利用源於植物的高分子，顯然不同於上個世紀對天然高分子的簡單使用。結合基因工程的方法，促使植物產生出更多的可直接使用的天然高分子，或可供化學合成用的高分子單體。採用生物催化劑或菌種，將天然的植物原料，如澱粉、木質素和纖維素等，合成為與有機高分子相似的結構或性質更優異的高分子。這些由植物資源獲得的高分子，不僅擴大了合成高分子的原料來源，而且得到的合成高分子還具有環境友好的特徵，可以是生物降解的，可以是焚燒無害的，可以是循環再生的。來源於石油資源的合成高分子，其主鏈上的原子以碳為主兼有少量氮、氧等原子，因而稱為有機高分子。無機高分子則泛指主鏈原子是除碳以外的其他原子。按元素性質判斷約有四五十種元素可以形成長鏈分子。報導的有全矽主鏈、磷和氮主鏈、矽氧及矽碳主鏈、全鎵和全錫主鏈，硫磷氮和硫碳主鏈、含硼主鏈、以及含過渡金屬主鏈的無機高分子。其中主鏈全部是矽原子且具有有機側鏈的聚矽烷應是值得注意的一種無機高分子。這既是由於矽是地球上儲量最豐富的元素，又是因為聚矽烷既可用作結構材料又可用作功能材料。無機高分子的研究充分體現出了單體分子的選擇和化學反應的控制，是如何決定高分子材料的性能和功能的。

高分子化學的可持續發展

研究高分子合成材料的環境同化，增加循環使用和再生使用，減少對環境的污染乃至用高分子合成材料治理環境污染，也是21世紀中高分子材料能否得到長足發展的關鍵問題之一。比如利用植物或微生物進行有實用價值的高分子的合成，在環境友好的水或二氧化碳等化學介質中進行化學合成，探索用前面提到的化學或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子來處理污水和毒物，研究合成高分子與生態的相互作用，達到高分子材料與生態環境的和諧等。顯然這些都是屬於21世紀應當開展的綠色化學過程和材料的研究範疇。

高分子化學的發展方向

材料是人類社會文明發展階段的標誌。當代材料研究具有以下幾個特點：傳統材料（鋼鐵、陶瓷和有機高分子）之間的界限變得越來越模糊而融合變得更明顯，如無機高分子和有機/無機雜化材料的套用等；通用材料與功能材料之間的相互滲透變得越來越明顯，更多的通用材料包括結構材料會同時具有某些功能特性，而功能材料也會顯現通用材料的性能；材料中原子和分子組合配置的精確設計和精確製備，及納米尺度上結構和性質的觀察和測量變得更重要，如化學製備智慧型材料、生命材料和單分子器件等；材料的傳統研究方法與當代信息社會提供的新技術的結合變得更必要，如計算材料科學等。這些研究表明，當代化學家們正在迎接著以智慧型材料及生命材料為時代文明特徵的21世紀的到來。

材料的發展是與人類社會的經濟發展、人類與自然界間的協調和資源的利用以及人類自身的存在和發展同步進行的。因此支撐材料發展的相關科學如化學的發展，不僅關係到材料的創新和發展，還影響到受材料支撐的國民經濟和社會發展的其他領域，如農業、能源、信息、環境及人口與健康等的進步與發展。