身處“高分子時代”的我們，真的理解這個世界嗎？

塑料、橡膠、合成纖維，這些耳熟能詳的材料，都是高分子(polymer)。

沒有它們的世界，你能想象嗎？

沒有塑料瓶和輪胎，沒有膠水和膠帶，沒有輸液管和氣球，也沒有現在的高集成度的電腦手機，也不會有輕質低能耗的汽車飛機。

塑料：極大降低了日用品的成本

沒有高分子，就沒有現在的生活。

【三期論】根據工具的材料，将人類的曆史分為三個時代：石器時代、銅器時代和鐵器時代。

今天，人類對于高分子的認知、理解都達到了前所未有的高度，我們的生産生活中充滿了高分子材料的設計、使用。

人類文明已然進入“高分子時代”。

身處“高分子時代”，對“高分子”的清晰概念，能幫助我們更好地理解這個五彩斑斓的物質世界。

高分子，就是分子量很高呗，要有多高呢？至少要到一千。水的分子量是18，乙醇（酒精）是46，這些都是小分子；而PMMA（有機玻璃）的分子量大約從2.5萬到20萬左右。

高分子的分子量，是一個“分布範圍”

注意，高分子不僅僅是“一類材料”，高分子是“三大基本材料之一”。

學過科技千裡眼【材料學專欄】的同學知道，材料的分類叫做“3 1”類，即三類“基本材料”和一類“複合材料”——

三類基本材料：金屬、陶瓷、高分子

要得到分子量很高的分子，就需要使用一種方法——“聚合”。

比如，我們有一種小分子“四氟乙烯”，它的最典型特征就是擁有一個“碳碳雙鍵”（C=C）——

四氟乙烯：中心處的碳碳雙鍵

碳碳雙鍵，就像四隻手互相拉在一起，隻不過牽手的力量強弱不同，弱的那對很容易脫手，所以，碳碳雙鍵的存在往往意味着較高的反應活性。

如果大量的脫手雙鍵再互相拉手的話，就會變成“手拉手”的長鍊（聚四氟乙烯）——

聚合：四氟乙烯→聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）也被稱為“特氟龍”（Teflon），後者其實是杜邦公司起的商品名。

聚合，就是“小分子手牽手構成大分子”的過程。

想讓小分子本身的手松開（鍵打開）也并不容易，不過，科學家們發現了一類化合物，可以幫助小分子快速把雙鍵打開、實現聚合，這一類物質被稱為“引發劑”。

我們先來思考一下，牛奶中的所有物質提純出來都是透明的，為什麼牛奶卻是乳白色不透明的呢？或者說，光線為什麼難以透過牛奶呢？

原因在于“光的散射”。

道理很簡單，物質内部存在太多“界面”（不溶于水的油脂小液滴），導緻光線散射到四面八方，當然就不透明了。

微觀上來看，不透明的物質内存在大量“散射界面”

可是，塑料的化學成分是可以很純的，哪來的界面呢？

原來，在塑料内部，由于分子鍊很長，所以無法全部形成像金屬和陶瓷一樣的“規律結構”（結晶态），許多部分隻能散亂地堆在一起，稱為“無定形态”，這樣就形成了許多界面——

“結晶區”（藍色區域）：與旁邊的無定形區域光學性質不同

所以，塑料不透明，是因為内部存在大量結晶區與非結晶區（無定形态）所形成的散射界面。

那麼，是否有可能，讓塑料内部“完全結晶”或“完全不結晶”呢？這樣不就沒有界面了嗎？

從高分子的長鍊結構來看，我們應該能猜到，完全結晶是不太可能的，那麼，就讓塑料完全不結晶吧！

這就是塑料實現透明的原理：完全處于無定形态，使得其内部無散射界面。

如何得到完全無定形态呢？

比如我們熟悉的PMMA（有機玻璃），透明度非常高，它就屬于完全無定形态；科學家把PMMA的分子設計成無規結構，因此自然就避免了結晶（規律性的排列）。

再比如生産透明飲料瓶的PET（滌綸），它的特點是結晶速度很慢，那麼，咱們讓熔融的PET以極快的速度降溫，讓塑料來不及結晶就已然凝固了，就得到了透明的塑料。

再比如做太空杯的透明的PC塑料，它的分子骨架上有許多“苯環”，這使得它的分子很笨重，流動性差，自然結晶十分困難，因此透明度很高。

透明的PET材質塑料瓶

另外，還有一種不可思議的方法——

讓我們再回憶一下，結晶與非結晶的界面會發生散射；不過，這裡的散射有一個條件——晶體顆粒必須大到至少與光的波長接近才行！

可見光的波長大約0.4~0.8μm，所以，隻要晶體顆粒足夠小，也可以實現透明。

結晶是需要晶核作為起點的，就如同飽和鹽水需要放入一個成核的引發物質——

“引燃”了結晶

原本無雜質的塑料中，大家都是一樣的高分子，誰也不願主動出來作為晶核，晶核數目非常少，所以結晶區域就很大；相反，如果我們在塑料中加入許多雜質微粒作為晶核，成核點很多，每片晶區就很小，小于光波波長，塑料就透明了。

這些雜質，我們稱之為“澄清劑”。

材料開發時，常常會遇到這樣的場景：A材料與B材料的性質各有優劣，我們會想，要是能有一種材料能“取兩者之所長”，就好了。

能不能把A和B混合起來看一看？

對于小分子來說，是可以的；對于高分子來說，不行。

想混合兩種塑料來取得一種性能更優異的塑料，通常來說，是行不通的。

但是我們有别的辦法，稱為——“共聚”。

比如說我們經常聽說的ABS塑料，它其實是丙烯腈(A)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)三種塑料的無規共聚物。

比如，簡單聚合物（均聚物）是“-S-S-S-S-S-S-”；那麼，無規共聚物就是“-S-A-A-B-S-A-”這種結構，沒有規律地把不同的單體聚合在一起，就形成了無規共聚物，經常會獲得優異的綜合性能。

ABS塑料：樂高帝國的最大功臣

其實，大自然才是運用無規共聚物的大師：蛋白質與DNA就是天然的無規共聚物——通過有限的單體可以實現無窮的組合。

有一些高分子就像是長長的毛線（“線型結構”）；溫度升高後，分子之間可以相互滑移，在宏觀上的表現就是“可流動”，而冷卻後可塑形，稱為“熱塑性塑料”。

如果我們将高分子互相之間都拉上手，使得它們之間無法滑移，這就是“交聯”(cross-linking)，交聯後的結構就像一張“漁網”，稱為“網型結構”，這類材料稱為“熱固性塑料”。

線型結構（I和II）與網型結構

熱塑性塑料，可以反複熔化與固化；而熱固性塑料，隻有一次機會，交聯固定後，就再也不能熔化了。

那麼，問題來了，熱固性塑料如何加工呢？總不能所有産品都要在材料的産地加工完成吧？

其實，一般我們會先制造一些“半成品”，比如‘未交聯’或‘半交聯’的材料，稱為“預聚物”(prepolymer)；塑料制品的加工廠拿到的就是這種預聚物，通過再次加熱或其他辦法“重啟暫時中斷的交聯反應”，等塑形後再去除模具，就完成了加工。

各種顔色的塑料預聚物顆粒

即便如此，熱固性塑料還是有個棘手的問題：難以‘回收’與‘回爐’。

科研人員想到一些回收辦法，比如，在網型結構中添加一些‘機關’，隻有在一些特殊條件（強酸/強堿）下，這些‘機關’自動解體，實現回收。

回爐（加熱後可重新塑形）也是能實現的，這就需要找到“可逆的交聯反應”（如狄爾斯-阿爾德反應）了。

橡膠，在室溫下富有彈性；它與塑料有什麼本質區别嗎？我們需要從高分子的三種狀态說起。

高分子不像金屬與陶瓷，由于沒有‘泾渭分明’的結晶溫度（熔點），所以加熱時，沒有瞬變隻有漸變——

高分子（非晶态）的溫度轉變曲線

按表現形态分為：玻璃态、橡膠态、黏流态。

按字面理解就可以——玻璃态像玻璃，橡膠态像橡膠，黏流态像黏黏的流體。

把這三個狀态分割開的，是兩個溫度點——

• Tg：玻璃化轉變溫度（g代表glass）
• Tf：流動溫度（f代表flow）

講到這裡，我想你已經猜到了——在室溫下，高分子處于玻璃态就是塑料，處于橡膠态就是橡膠。

所以，引起“挑戰者”号事故的橡膠圈為什麼失效？就是因為當天的氣溫低于了Tg，橡膠被凍成了塑料，失去彈性了。事後的聽證會上，費曼用一杯冰水就現場完成了實驗——

費曼用一杯冰水演示了橡膠圈的失效機理

橡膠要想‘完全回彈’，必須保證分子之間不能産生滑移流動，方法是通過交聯形成“網型結構”。

比如說最早的天然橡膠，隻要一遇到炎熱的天氣，就會開始變得黏稠流動，根本無法使用；後來人們發現可以通過‘硫’讓分子之間拉起手（交聯），形成網型結構，才使天然橡膠具有了良好的彈性，也不用擔心炎熱的天氣了；這就是“硫化橡膠”的由來。

前面講到，熱塑性塑料（線型結構）可以反複熱成型加工，而熱固性塑料（網型結構）隻能成型一次。那麼，橡膠有沒有‘熱塑性’的呢？

有的；有一類橡膠被稱為“熱塑性彈性體”（或稱‘熱塑性橡膠’），它們具有獨特的分子結構被稱為“嵌段共聚物”。

如果說簡單聚合物（均聚物）是“-S-S-S-S-S-S-”，無規共聚物是“-S-A-A-B-S-A-”，那麼嵌段共聚物就可以表示為“-A-A-A-B-B-B-”，好似兩種高分子拉起了手。

聚氨酯（PU）就是一種典型的嵌段共聚物，構成它的鍊段我們稱為“軟段”和“硬段”，從這個名字上我們也能想象到，在室溫下，軟段的流動性好，而硬段則比較堅固，所以，整個分子表現出良好的彈性，在高溫下又體現出熱塑性。

一本以聚氨酯為名的書的封面

我們知道有形狀記憶合金，加熱後就能恢複設計好的形狀；高分子也能！

咱們回憶一下上面講過的内容，交聯高分子在低溫下是塑料，在高溫下就是橡膠。

比如交聯後的聚己内酯（PCL），它的玻璃化轉變溫度（Tg）大約隻有60℃左右，也就是說，室溫下是塑料，而泡在熱水中一會，它就變成彈彈的橡膠了。

這時，咱們保持在熱水中，給交聯PCL捏一個形狀，比如小碗的形狀吧，而且一直不松手，直到溫度降低到室溫，會發生什麼呢？

顯然，由于形狀被束縛了無法改變，高分子無法運動，因此直到室溫下松開手，它也還是一個小碗的形狀。

這時隻要再一加熱，PCL分子就又可以自由運動了，因為就回歸了最初的形狀。

形狀記憶高分子太高級了吧，生活中有應用嗎？其實已經非常多了，我們最熟悉的“熱塑管”就是最典型的形狀記憶高分子呀——

“熱塑管”：典型的形狀記憶高分子

再比如，設計一種形狀記憶高分子，讓它的轉化溫度略高于體溫，就可以做為“智能縫合線”，自動将縫合處收緊。

不過，這一類形狀記憶高分子有個明顯的缺點：隻能變形一次。比如，熱塑管要想再膨脹起來，就做不到了。

不過近年來，科學家們已成功研發出“雙向形狀記憶高分子”，這就大大拓展了這類材料的應用，目前大量應用在軟體機器人等領域的智能驅動，比如本月初在哈工大威海校區舉辦的“軟體機器人理論與技術”大會上，哈工大冷勁松教授就做了非常精彩的關于形狀記憶高分子的報告，近幾天新聞報道了冷勁松教授已當選為中國科學院院士，恭喜冷教授，國家棟梁，國士無雙。

正身處于“高分子時代”的我們，若能真正理解高分子材料，無疑能更好地理解科技，認識這個五彩斑斓的世界。

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