就在身邊，你一定與它親密接觸過
要是在大街上突然有人問你“高分子材料”是啥，你大概率會撓頭：“聽著就像某生化實驗室里添加‘科技與狠活’煉制的高端玩意兒，跟我這柴米油鹽平淡的日子八竿子打不著!”先別急著劃走，想象一下某天地球上全部的高分子材料一夜之間都消失了，你醒來后會驚奇的發現，這個世界到處充斥著金屬色和水泥灰，而你也“赤身裸體”睡在硬邦邦的彈簧上。是的，從你身下軟彈的乳膠床墊，穿著舒適的棉睡衣(棉纖維也是天然高分子哦)，蓋著保暖又透氣輕薄的聚酯纖維被，到早上起床刷牙用的塑料牙刷，出門穿的運動外套和運動鞋，再到打包早飯的塑料餐盒，甚至你手握的方向盤、工位上的午休抱枕，全是它的“分身”。但這貨可不是科學家悶在實驗室里憋出來的“高大上”發明，早在幾千年前，咱們的老祖宗就已經把天然高分子材料玩得風生水起了。今天，咱就抽點時間，扒一扒高分子材料的“奮斗史”，看看它是怎么從沒人認得出的“野生材料”，一步步逆襲成改變世界的“頂流材料”的。
“鏈”就本領，“手牽手”相連成傳奇
在進入尋找高分子材料“奮斗史”的主線任務前，咱們先給它下個接地氣到能刻進DNA的定義。眾所周知物質是由原子構成的，多個原子通過化學鍵連接組成分子;分子通過重量(通常用相對分子質量Mr表示)不同來分類，重量輕(Mr小于1000)的叫小分子，重量大(Mr大于1000)的叫大分子;而高分子材料簡單的說，它就是由成千上萬個被稱為“單體”的小分子像小朋友手拉手做游戲一樣，連成長長的“分子鏈”，很多條“分子鏈”如擰繩子一樣纏纏繞繞，最終形成的高分子材料，它的相對分子質量可以達到10萬-1000萬。不同的單體、不一樣的“擰法”等都會賦予高分子材料各種神奇技能，有的材料韌性屬性拉滿，有的材料點出了耐高溫特技，有的材料則解鎖了與生物體親密融合天賦……。
匠心獨運，天然高分子的國貨之光
咱們把時間撥回幾千年前的古代中國，這時候的高分子材料還屬于“純天然無添加”款，主打一個“就地取材”。咱們的祖先發現，有些東西天生就帶著“高分子屬性”——比如蠶絲，這可是自然界給人類的“頂級布料”。蠶寶寶吐的絲，本質上就是一種由氨基酸組成的蛋白質高分子，抗拉伸能力是普通鋼材的11倍(按單位質量計算)!古人用它織成絲綢，不僅穿起來舒服，還成了“硬通貨”，絲綢之路能穿越萬里的黃沙，將東方的璀璨文明傳播到世界的每個角落，蠶絲這根“高分子細絲”功不可沒。估計當時的王公貴族也不知道啥是高分子，只知道“這料子真絲滑，穿出去倍兒有面”。除了蠶絲，另一種天然高分子材料也在古代C位出道，那就是——漆器。你見過出土的戰國漆器嗎?亮得能當鏡子，歷經幾千年都不腐壞，靠的就是主要成分為漆酚的天然樹脂，成語“如膠似漆”中的漆說的就是它。古人把漆樹汁刮下來，加點顏料，涂在木頭、竹子上，反復刷幾遍再晾干，就能做出又好看又耐用的漆器。那會兒的漆器可比青銅器金貴，畢竟漆樹汁來之不易，刷一遍等干就得好幾天，堪稱古代的“奢侈品”，要是放在現在，這工藝絕對能評個“非物質文化遺產”。生漆堅固耐用、耐熱耐腐蝕的核心原理就是天然高分子的“酶促氧化交聯反應”。新鮮漆樹汁里，無數漆酚分子就像一群活力滿滿的單身“俊男靚女”，而作為漆酚家族“長輩”的漆酶——這類含銅的氧化還原酶，早已肩負起“撮合使命”，它精準找到空氣中的氧氣作為“金牌媒人”，這場奇妙的“分子聯姻”便悄然開啟。氧氣這位媒人可絕非等閑之輩，它在漆酶的催化引導下，能精準激活每一位漆酚“男女青年”。在“家長”漆酶的全程見證與“媒人”氧氣的巧妙促成下，這些被激活的漆酚分子紛紛伸出“手”，一個個“俊男靚女”兩兩配對、手牽手緊密相擁，逐步締結連理，形成堅固的如同金剛石一樣的立體網狀結構。
美洲奇遇，神秘玩具的“蝶變”之路
看完中國古代的“天然高分子玩家”，再把目光轉向國外，古代美洲的印第安人也發現了一種神奇的高分子材料——橡膠。他們生活在熱帶雨林里，偶然間發現橡膠樹的樹皮被劃破后，會流出一種乳白色的汁液，這就是天然橡膠乳液。印第安人試著把這種汁液收集起來，倒在模具里曬干，沒想到干了之后居然變成了有彈性的固體，于是他們就用它做成球、鞋子、容器等東西。其中最出名的就是橡膠球，這種球直徑大概幾十厘米，表面光滑，彈性好到能彈到和人一樣高，印第安人不僅用它舉行祭祀活動——認為橡膠球的彈跳力是“神力”的體現，還會組織橡膠球比賽，輸的一方甚至可能被當作祭品，可見橡膠球在他們心中的神圣地位。估計印第安小朋友的快樂，全是這顆橡膠球給的，畢竟在沒有玩具的古代，誰能擁有一個能彈老高的球，誰就是“這條街最靚的仔”。不過那時候的天然橡膠有個致命缺點：脾氣太古怪，完全“看天吃飯”。天熱的時候，它會變軟融化，粘一手黏糊糊的汁液，放在衣服上能直接粘出一個洞;天冷的時候，它會變得又硬又脆，一摔就碎成好幾塊，根本沒法正常用。就這么個“挑三揀四”的材料，被歐洲人發現后，雖然引起了興趣，但因為這個缺點，一直沒能大規模應用，只能用來做一些小玩意兒。直到19世紀中期，一個叫查爾斯·古德伊爾(CharlesGoodyear)的美國人，才徹底“馴服”了它。說起來，這還是個充滿巧合的故事：古德伊爾沒有正式學過化學，他改良橡膠只能像開盲盒一樣，不斷地往里加入各種物質，為了買材料做實驗他花光了積蓄，甚至到了窮困潦倒的地步;鄰居和親戚們常常調侃道：如果你碰到一個人，帽子、圍脖、大衣、背心、鞋子全是橡膠做的，口袋里沒有一分錢，那么這個人就是查爾斯·古德伊爾。某天他不小心把混了硫磺的橡膠樣品掉進了火堆里，慌慌張張拿出來后發現，這橡膠居然變了——不僅不粘手了，就算放在太陽下曬，也不會融化，冬天放在戶外，依然保持著良好的彈性，真是無意間開出了“隱藏款”。他反復試驗，終于摸透了其中的門道：硫磺能讓橡膠的高分子鏈之間形成“橋梁”，讓原本松散的分子鏈變得更穩定，這就是大名鼎鼎的“硫化反應”。橡膠也從此擺脫了“季節性玩具”的身份，變成了實用材料，后來更是成了汽車輪胎的核心原料要是沒有硫化橡膠，汽車只能在春天跑，夏天怕輪胎曬化了，冬天擔心輪胎碎掉，著名輪胎品牌“固特異”就以古德伊爾的名字作為商標來紀念這位“硫化橡膠”之父。古德伊爾這波“意外之財”，不僅改變了橡膠的命運。更直接給高分子材料的“近代化”按下了加速鍵。
近代啟程，臺球邂逅初代“網紅”賽璐珞
近代高分子材料的“打怪升級之路”起始于19世紀中后期，期間誕生的初代“網紅”屬于“賽璐珞”。故事要從瑞士巴塞爾大學的舍恩拜教授說起，這位老哥妥妥一名“家庭實驗黨”，放在現在他的鄰居分分鐘要搬走。1846年的某天他在家里廚房做實驗，不小心打翻了裝有濃硝酸和濃硫酸的瓶子，順手將墻上掛著的棉布圍裙扯下來擦地，隨后清洗干凈并掛在火爐旁烤干。注意，前方高能!在烤干的過程中，棉布圍裙并沒有恢復本身的柔軟，而是變得邦硬，最后還突然竄起火苗子燒了起來!事出反常必有妖，舍恩拜敏銳的察覺其中必然發生了某些化學變化。于是他立馬動身前往學校實驗室，將棉花、濃硝酸和濃硫酸混在一起，鼓搗出了一種硬得像石頭的新材料——硝酸纖維素。舍恩拜將硝酸纖維素溶于酒精乙醚混合液，并給這個“寶貝”起名叫“珂羅酊”，還順手拿了專利。只是這初代塑料實在“桀驁不馴”，硬到能當磚頭用，無法對其加工塑形，限制了它的普及與應用。此后很長一段時間，科學家們圍著它愁眉苦臉，試了無數種溶劑想給它“松松骨”，都收效甚微。真正給硝酸纖維素帶來潑天流量的機遇，還要靠一場臺球引發的“重金懸賞”。
1865年美國南北戰爭結束后，有錢人突然迷上了室內象牙臺球，一時間大象們慘遭“圍獵”，象牙價格飆到天際，市場直接告急。此時一家臺球公司急得跳腳，甩出一萬美元懸賞(相當于現在一百多萬人民幣)，求一種能替代象牙的材料。重賞之下必有勇夫，一位叫海特的印書商兼業余化學家，揣著好奇心就扎進了實驗室。海特和古德伊爾一樣，沒受過正規科學訓練，卻自帶“民間發明家”的腦洞。從1869年開始，他和弟弟在家搗鼓各種配方，終于在1870年解鎖了“神級輔助”——樟腦的酒精溶液。這玩意兒堪稱硝酸纖維素的“專屬軟化劑”，加進去之后，原本硬邦邦的材料瞬間變得柔韌可塑好加工，讓這款本來屬于“拉完了”級別的材料原地變“夯”，直到現在它仍是硝酸纖維素的最佳增塑劑。海特給樟腦增塑硝酸纖維素取名“賽璐珞”，只是這賽璐珞天生帶“暴脾氣”，雖然模仿象牙的質感惟妙惟肖，卻極易燃燒——早期的賽璐珞臺球相撞時，甚至可能冒出火花，酒吧老板們直呼“玩球像拆炸彈”。更搞笑的是，賽璐珞襯衣衣領因防水抗皺成了當時爆款，卻逼得抽煙的男士們只能“忍煙止渴”，畢竟誰也不想穿著“易燃領”變成移動火源。盡管脾氣火爆，賽璐珞還是接住了這潑天的流量，掀起了“材料革命”。
19世紀70年代起，它不再局限于臺球，化身“萬能替身”：替代象牙做假牙、冒充玳瑁做梳子、變身刀柄鏡框裝點生活，算是開啟了塑料工業化的先河。它最顛覆性的貢獻，是掀起了攝影行業的一次革命。在賽璐珞出現前，攝影師們得背著沉重的玻璃底片出門，拍照真的是在干活“搬磚”;1884年美國柯達公司創始人伊斯曼用賽璐珞做成軟膠底片，它輕便又便宜，甩了玻璃底片幾條街，不僅讓柯達相機走進千家萬戶，還催生了電影行業的誕生。只是這膠片依舊繼承了“易燃基因”，早期電影院常發生膠片自燃事故，給觀眾直播火災現場。賽璐珞的易燃屬性終究是致命傷，隨著事故頻發，人們尋找到了“脾氣更好”的替代品——醋酸纖維素。醋酸纖維素不僅阻燃，還成了優質膠片和人造絲的原料，如今醋酸纖維素廣泛應用在3D打印材料、醫用透析膜、香煙過濾嘴等地方。高分子材料的早期發展史完美詮釋了“摸著石頭過河”的科學真諦，讓我們致敬這位“暴脾氣”的傳奇初代“網紅”賽璐珞。
合成元年，“電木”時代與“塑料之父”
進入20世紀，高分子材料徹底迎來了“爆發期”——人類終于不再滿足于“等靠要”，開始主動“造”高分子材料，也就是“人造高分子”，從此告別了靠大自然“投喂”的日子。1907年，美籍比利時科學家貝克蘭(Baekeland)做出了一個改變世界的發明：第一種合成高分子材料——酚醛樹脂，也就是我們常說的“電木”。正所謂時勢造英雄，它的誕生，剛好趕上了電氣時代的浪潮。酚醛樹脂有三個堪稱“逆天”的優點：機械強度高，抗沖擊不易磨損;耐高溫，加熱時不會變形融化;絕緣性好，電阻值極大(通常為5.2×1015Ω·cm)。要知道，當時剛進入電氣時代，電燈、電話機、收音機等電器越來越多，但這些電器的外殼和零部件一直找不到合適的絕緣材料，只能用木頭或者陶瓷，木頭容易受潮變形，濕木還不絕緣，陶瓷重量大還易碎。酚醛樹脂一出現，直接解決了這個難題，很快就被批量生產，用來做電燈開關、電話機外殼、收音機機殼，甚至飛機的零部件。在二戰期間，它還被用來做坦克的儀表盤、齒輪等關鍵部件，因為它不可燃，耐酸堿腐蝕。酚醛樹脂憑借“質優價廉、性能能打”的優勢，迅速占領了市場，成為了當時頂流的材料。貝克蘭于1910年成立了自己的通用酚醛塑料公司，專門生產酚醛樹脂，很快他就賺得盆滿缽滿，成為了當時的“富豪科學家”。1940年貝克蘭獲得《時代》周刊“塑料之父”稱號，1999年《時代》周刊評選出20位20世紀最有影響力的科學家，貝克蘭再次入選并與愛因斯坦、哈勃等人齊名，后世有學者甚至建議將1907年定為“合成高分子元年”。
尼龍熱潮，爆款絲襪與戰火功勛
在酚醛樹脂之后，高分子材料界可謂“神仙打架”，各種“黑科技”材料層出不窮，其中最出圈的，當屬尼龍。1938年，美國杜邦公司的華萊士·休姆·卡羅瑟斯(WallaceHume Carothers)科學家團隊，經過多年研發，終于合成出了第一種合成纖維——尼龍。這種材料一誕生，就自帶“爆款體質”：比蠶絲還結實，相同粗細的尼龍絲和蠶絲，尼龍絲能承受的拉力是蠶絲的2倍多;而且耐磨耐造，用它做的衣服穿好幾年都不會破;還容易染色，能做成各種鮮艷的顏色，不像蠶絲染色那么麻煩。尼龍最開始是用來做襪子的，1939年紐約世博會期間，杜邦公司首次展示了尼龍襪子，當天就吸引了幾十萬人圍觀，第一批上市的尼龍襪子只有幾千雙，一上架就被瘋搶一空，很多女性為了買到一雙尼龍襪，排了好幾個小時的隊，甚至有人愿意用自己的珠寶、手表換一雙。當時還流傳著一句話：“擁有一雙尼龍襪，是每個美國女性的夢想”，甚至出現了“一雙尼龍襪換一只羊”的夸張盛況——要知道，在當時，一只羊可是普通家庭大半年的生活費。好景不長，尼龍上市沒多久，二戰就爆發了，原本用來做襪子的尼龍，被緊急征用，用來做降落傘、軍靴鞋帶、帳篷、繩索等軍事用品。據統計，二戰期間，杜邦公司生產的尼龍，有90%都用來支援前線，盟軍的降落傘大部分是尼龍做的，比之前用的絲綢降落傘更結實、更便宜，產量也更大，僅1943年一年，就生產了上億平方米的尼龍降落傘布�？梢哉f，尼龍為盟軍的勝利立下了汗馬功勞，是名副其實的“戰爭功臣”。
石油時代，降服“頑固”分子到聚烯烴的量產突破
就在尼龍襪瘋狂吸睛的時候，黑色黃金——石油也悄悄的搭上塑料時代的航船。上世紀30年代，來源于石油的聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃)這些小伙伴紛紛從實驗室走進工業化生產線，唯獨乙烯和丙烯這兩個“頑固派”由于分子結構的原因，不愿意牽手發生聚合。1933年3月，英國帝國化學公司的兩位化學家埃里克·福塞特(Eric W. Fawcett)和雷吉納德·吉布森(Reginald O. Gibson)將乙烯氣體加壓到1700個大氣壓，在170攝氏度溫度下意外得到一些白色的蠟狀粉末，經過檢測這些粉末就是期待已久的聚乙烯，只可惜它的分子量很低，而且合成條件涉及高壓，無法滿足大規模工業化應用。就在人們認為研究聚乙烯工業化合成到了山窮水盡的時候，50年代化學界的兩位“大佬”——德國的齊格勒和意大利的納塔直接機械降神，聯手搞出了個超牛的發明：用三乙基鋁和四氯化鈦搭配成金屬絡合催化劑(Ziegler-Natta催化劑)，在使用這個催化劑后，聚乙烯的合成壓力從以往需要幾百個大氣壓直接降至常壓，合成的聚乙烯分子量也足夠大，這就是現實版的降維打擊。隨后低壓聚乙烯在1952年實現工業化生產，低壓聚丙烯也在1957年跟上了腳步，這可是高分子化學史上的大突破!因為靠著石油當原料，高分子工廠直接升級成“萬噸級規模”，年產10萬噸的大工廠再也不是遙不可及的夢想。而這兩位大佬的杰出貢獻也被世界認可，1963年的諾貝爾化學獎被他倆聯手拿下，這份榮譽可以說是實至名歸。就在兩位“大佬”獲得“炸藥獎”的13年后，高分子材料的工業化產量首次超越鋼鐵，它正式和金屬材料、無機非金屬材料組隊“封神”，穩穩坐實了現代材料圈T0級別的席位。聚乙烯質地輕盈、防水防潮，被用來做塑料袋、塑料瓶、保鮮膜等，也是目前全世界年產量最大的塑料(2025年超過1.6億噸)。聚丙烯使用溫度寬(-30～140℃)、抗彎折、耐腐蝕、絕緣性好，常被用來制作水杯、飯盒、電器外殼、車輛內飾件等，隨著新能源汽車的普及，聚丙烯產能也將迎來爆發式增長。
開宗立派，從“膠體論戰”到學科大廈的建立
從古德伊爾“撞大運”發現硫化的秘密到20世紀高分子材料“光速”發展，其背后是個別人“小打小鬧”到一門正經學科“開宗立派”的過程。1833年瑞典化學家貝采里烏斯提出“聚合物”名詞，這個詞僅僅描述了高分子材料是小分子的聚集體，至于以何種方式聚集卻不得而知，直到“開山祖師”德國化學家施陶丁格(Hermann Staudinger)成功“破圈”。他在亞琛工業大學任教期間對高分子結構組成問題著了迷，1922年發表了論文《論聚合》，首次預言高分子是共價鍵連接的長鏈大分子。但這位41歲年輕大學老師“離經叛道”的預言與當時主流學界長期信奉小分子膠體聚集體的理論背道而馳，“網暴”嘲諷他的學者比比皆是。“上士聞道，勤而行之”，施陶丁格并沒有理睬當時的“杠精”們，他只是反反復復做實驗測分子量，希望用事實證明自己。1926年瑞典科學家斯維德貝格通過超離心機測定蛋白質分子量是幾萬至幾百萬，這樣的結果直接“打臉”了膠體理論的捍衛者，證實了蛋白質這種高分子是由共價鍵連接小分子所構成的長鏈，它不同于膠體聚集體，其自身有著很高的分子量。1932年施陶丁格總結了自己的大分子理論,出版了劃時代的巨著《高分子有機化合物》，高分子化學也作為一門新興學科從此建立起來。1953年，諾貝爾獎評選委員會將當年的化學獎頒給了施陶丁格，以表彰他對高分子科學的貢獻，這場膠體和大分子之爭終于蓋棺定論。
如果說“祖師爺”施陶丁格創立了大分子學說這門“武功絕學”，那即將提到的保羅·約翰·弗洛里(Paul John Flory)就是將這門絕學推向頂峰的“一代宗師”。弗洛里博士階段研究的是光化學，1935畢業后進杜邦公司工作，誤打誤撞加入了上文提到“尼龍之父”卡羅瑟斯團隊，那時的他對高分子完全是“門外漢”，慢慢的在卡羅瑟斯大牛的指導下，弗洛里開始入門并展現出非凡的科學直覺。當時學術界已經普遍接受了施陶丁格關于高分子是大分子長鏈的說法，但是關于這條長鏈如何增長，在溶液中如何運動，多條長鏈怎樣互相纏繞等問題依然不清楚。這位年輕人敏銳察覺到大分子長鏈各種行為看似雜亂無章實則是有規律的，他總結了前人的研究，天才般的利用了數學、統計力學、熱力學這套硬核工具，憑一己之力給亂糟糟的高分子長鏈立了“規矩”，為后世研究者建立了一套通用數學模型。1953年弗洛里出版了高分子學界的“圣經”——《高分子化學原理》，書里寫滿了密密麻麻的公式，至今仍是學高分子材料學生的“快樂源泉”(或者說“痛苦回憶”?)。1974年諾貝爾獎頒給他時，評委直言這是“遲到的肯定”，就像牛頓《自然哲學的數學原理》用簡潔的數學模型揭示運動的本質規律一樣，他的理論直接撐起了現代高分子物理化學的半壁江山。
現代“頂流”，高分子材料化身“全能高手”
到了現代，高分子材料更是“上天入地”，成了高科技領域的“香餑餑”。“神舟”飛船返回艙的耐燒蝕涂層、人造衛星的太陽能電池板基底，用的是耐高溫、高強度的特種高分子材料;深淺利器“蛟龍號”的“命根子”深海應急救生纜，用的是一根直徑僅6毫米的特制無接頭超高分子量聚乙烯纖維纜繩，如果用普通鋼材制作直徑將達到它的8倍。醫療領域的人造心臟瓣膜、人工關節，用的是生物相容性好的高分子材料，能和人體組織“和平共處”;救命“神器”ECMO(體外膜肺氧合)的氧合器，用的是中空纖維狀高分子膜，能夠提供更多的氣體交換表面積，大大提高氧氣和二氧化碳的交換效率;新能源汽車的鋰電池正負極隔膜，用的是不導電的微孔復合高分子材料，它既能讓鋰離子“暢快”的通過，也能抑制危險的鋰枝晶形成;甚至連我們的折疊屏手機屏幕，用的也是高分子材料，可彎折耐磨還透光。高分子材料不僅可以單打獨斗，還能拉著金屬、玻璃、陶瓷等材料一起玩“混搭風”，與鋁板“貼貼”可以變成建筑外墻輕盈的鋁塑板，與玻璃纖維、碳纖維復合可以制造高強度的船體，與水泥砂漿混合可以化身高性能的防水涂料，與鐵納米顆�；旌峡梢詾閼鸲窓C披上隱身衣……�？梢哉f，沒有高分子材料，就沒有我們現在的高科技生活。
回頭看看高分子材料的歷史，從古代的天然蠶絲、漆器，到近代的橡膠硫化，再到現代的合成塑料、特種高分子、復合材料，它就像一個“潛力股”，一步步從幕后走到臺前，改變了人類的生產生活，也離不開如古德伊爾、貝克蘭、齊格勒、納塔、施陶丁格、弗洛里等科學家們前赴后繼的探索�，F在，科學家們還在不斷研發新型高分子材料，比如生物基降解塑料、智能高分子材料(能感知溫度、濕度變化并做出反應)。未來，高分子材料還會帶給我們更多驚喜。下次再看到塑料瓶、化纖衣服，可別再小看它們了，它們可是有著幾千年“奮斗史”的“頂流材料”哦!
作者簡介：成功，材料學碩士研究生，畢業于湖北工業大學。馬新月，二級教師。
責編：微科普