科幻小說《三體》中有一種飛船，形狀像水滴，使用了強相互作用力材料，幾乎堅不可摧。這雖然是作者天馬行空的想象，但人類始終在追求更硬、更強而且更輕的材料，卻是事實。在工業時代，應用最廣泛的材料莫過于鋼和塑料了，它們的特點卻有着天壤之别。

水滴飛船的材料是科學家的終極追求

鋼的強度大，韌性好，幾乎處處都離不開它，但鋼材的缺點就是太沉了，每立方米重達7.8~7.9噸，拿起來費力還增加了能源的消耗。塑料就比較輕，成型也方便，但強度卻遠比不上鋼材，用來做日用品挺好，拿去修鐵路造機器就力不從心了。

如果有一種材料，能達到比鋼材更高的強度，卻能做到像塑料一樣輕，甚至更輕，那一定會大有用武之地。實際上，這種理想的材料多年來一直是科學家追尋的目标，但卻收獲卻不多，想要取代鋼材更是天方夜譚。

鋼材仍是最重要的材料

不過，最近事情似乎有了轉機：頂級學術期刊《自然》雜志2月2日刊登了一篇論文，介紹美國麻省理工學院等科研機構造出了一種新材料：2DPA-1二維聚合物，屈服強度達到了488MPa，而常用的普通碳素結構鋼Q235的屈服強度僅有235MPa。

也就是說，這種材料的強度已經超過了一般的鋼材，然而它的密度卻僅有鋼材的六分之一，即1.3噸/立方米左右，這比普通塑料的密度（約1.4噸/立方米）還略低一些。更奇特的是，這種材料還是一種有機高分子材料，并不含金屬。MIT的科學家到底是怎麼做到的呢？

原因就在于2DPA-1是一種“二維”聚合物。我們平常用的塑料也是高分子聚合物，但卻是一維的。所謂聚合物就是把一個個單體有機分子通過化學鍵構成長鍊，這個長鍊實際上是有着極大分子量的單個分子。由于長鍊幾乎是首尾相連而成，所以稱為“一維”聚合物。由于兩個長鍊分子之間的聯系并不緊密，所以強度有限。

聚甲基丙烯酸甲酯，一種長鍊狀的聚合物分子

而二維聚合物則又前進了一大步：它也是由單體分子聚合而成，卻不僅僅是首尾相連，而是在一個平面上進行二維連接，形成了一種二維的聚合大分子，就像一張大網一樣。與長鍊狀的一維聚合物相比，二維聚合物分子由于在兩個方向上都有化學鍵束縛，其強度勢必要高于一維聚合物，而密度則相差不多。

科學家早已預想到二維聚合物可能具有良好的材料性能，已經進行了比較多的研究，也通過各種手段生成了一些二維聚合物，并體現出了二維材料的優勢。但之前在實驗室中生成的二維聚合材料卻有着難以克服的缺點。

例如，與簡潔的一維長鍊不同，二維聚合分子的生長非常複雜，單體在組合時一不小心就會出錯，比如本來應該在一個水平面上生長，卻經常有單體分子錯長到了豎直方向，破壞了整個分子的結構，導緻聚合失敗。

石墨烯就是一種二維聚合結構

而有些研究者采用可逆反應的手段來修複這些錯誤，雖然最終形成了二維聚合物，但由于反應是可逆的，材料的化學和物理性質不穩定，分子結構很容易遭到破壞，并不實用。總之，要想找到強度極大、密度很小，穩定且容易制備的二維聚合物材料，是件很難的事。

而本次發布的研究成果中，2DPA-1分子的生成卻是個不可逆的過程，制取工藝的可操作性好，最後形成的材料也具備很好的化學和物理性質，可以制成強度極高的薄膜或片材，具備廣闊的應用前景。那麼這又是如何實現的呢？

原來，秘訣在于組成2DPA-1分子的兩種單體分子，一個是均苯甲酰氯，一個是三聚氰胺。你沒看錯，後者就是那個2008年劣質奶粉事件的主角三聚氰胺。這兩種分子的特點就是在一個環（苯環或氮環）上面有三個成120度角排列的分叉。

均苯甲酰氯和三聚氰胺聚合成2DPA-1

這些分叉在一定的條件下，可以自動地按照一定規律組合在一起，形成一個類似“石墨烯”的六邊形網絡結構，最終構成一個圓盤狀的大分子。特殊的分子結構決定了聚合過程基本上都會在同一平面内完成，很少會出錯，而且聚合反應也是不可逆的，

在形成一層結構之後，兩層分子之間還可通過氫鍵連接，于是便形成了這種比鋼材強度更大，卻比塑料密度更小的新型材料。2DPA-1制備起來也很方便，可以在溶液中自發反應生成，很适合做薄膜或塗層，也可以做成片材。由于是二維分子結構，這種薄膜可以完全阻止水和氣體透過。

2DPA-1材料形成的薄膜

很明顯，這一材料和技術在工業上有着巨大的前景，有可能帶來材料領域的一場革命。完成這一成果的是麻省理工學院化學工程系的邁克爾·斯特拉諾團隊，而第一作者和主要貢獻人是Yuwen Zeng，聽名字就像是一位中國人或華人。在該論文長長的作者列表中，也出現了很多中國名字。

而據ORCID網站上的信息，Yuwen Zeng是2015年在中科院上海有機化學研究所獲得的博士學位，畢業後在所内工作一年，随後在2016年前往美國，先後在哈佛大學和麻省理工學院做博士後，該論文就是以博士後身份發表的。由此基本可以認定該研究者是中國人或華人。

論文作者列表中有許多中國名字

這一現象讓人馬君想起了另一件事：著名的信息提供商湯森路透集團曾發布過一個“全球頂尖100位材料學家”榜單，是根據2000~2010年的論文發表和引用情況排出的，其中有15位華人科學家，而前6位居然全是華人，這6個人中有5位的本科畢業院校都是中科大，目前這5位學者的主要工作單位均在美國。

這樣的局面首先是讓人感到高興，畢竟這代表了華人的實力，無論如何是一件好事。但細想一下又有些惆怅：在我國的工業領域，材料一直是短闆，高端的航空發動機、芯片等産業經常受限于材料短闆，大量的高性能材料需要進口，受制于人，與科學家排行榜上的盛景形成鮮明對比。

湯森路透集團評選的2000~2010全球100位頂尖材料科學家，15位為華人

然而雖然我國在材料領域還有較大欠缺，但在高校裡，生化環材卻一度被稱為四大“天坑”專業，學生人數衆多，上學時科研任務極重，畢業後想找個待遇好的工作卻是難于登天，大量畢業生被迫轉行或出國。

造成這一現象的原因有很多，其中很重要的一條就是産學研不配套。高校科研都是為了發論文，發論文當然就要追學術熱點，研究國際上最新最熱門的東西。很可能在實驗室做出一種新材料就可以發表一篇論文，然而這種材料在現實中卻可能毫無用處。

而我國工業界急需的是提高一些傳統材料的性能，例如鋼材的力學指标，其中的難點是工藝上的認識和突破，這種突破能實實在在的提高工業水平，卻并不是學術熱點。這樣一來，學生掌握的技能與工業部門的實際需求就脫節了。

生化環材一度被稱為“天坑”專業

況且就算是不脫節，傳統工業部門也沒那麼多崗位和需求，科研院所又比較難進。即使最終找到工作，其待遇和IT金融也沒法兒比，吸引力很弱。畢業生的出路不暢，很多人轉行，而其中一些比較優秀的人就選擇了出國。

以美國為例，憑借着大量科研經費，可以養活很多研究者，而這些專業又不太受美國本地學生待見，自然成為中國留學生的較好歸宿。很多優秀的人才就這麼遠走國外，并且留在了那裡，并通過自身努力做出了成果。如何打破“天坑”專業的魔咒，留住人才，真正提高我國在材料領域的實力，仍是一個值得探讨的課題。

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