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《MACROMOL CHEM PHYS》纪念“高分子“概念诞生100周年:高分子科学的下一个100年
2020-08-03  来源:高分子科技
关键词:高分子科学

  2020,注定是不平凡的一年。今年也是赫尔曼·斯托丁格发表第一篇关于聚合的文章100周年。正是Staudinger意识到高分子,是由共价键连接的长链组成的。自从这篇文章首次发表以来,高分子对社会产生了巨大的影响。几乎无法想象,人类如果生活在没有高分子合成的世界里,那将会是怎样的一番景象?但是,高分子科学的未来会是怎样的呢?这个问题值得深思,尤其是人类在享受高分子带来便捷的同时,也面临着塑料微粒无孔不入的威胁。下一个百年,高分子科学将会走向何方?本文由《 Macromolecular Chemistry and Physics》期刊的编辑和顾问委员会对这一问题进行了思考。


1、背景介绍

  2020年,是高分子科学的一个重要里程碑:100年前,赫尔曼·斯托丁格发表了第一篇关于聚合的文章。Staudinger首次意识到高分子是由共价键连接的长链组成的。但,他最初的宣言遭到了怀疑和批评,并在科学领域引发了一场生动的科学争论。正是斯托丁格坚持不懈并愿意从事科学推理,才使这一论述成为大分子和超分子科学多样化领域的开端。从此,大分子和超分子科学蓬勃发展,并贡献了改变生活的创新,至今仍影响着社会。


  从早期开始,Staudinger就认识到有专门的出版媒体,来刺激不断增长的大分子研究社区内的科学交流的重要性。作为《实用化学期刊》的编辑,他于1940年正式扩展了该杂志的范围,包括关于大分子化学的文章,并在期刊标题上加上副标题“考虑大分子化学”。 六年后,Staudinger创办了《Die Makromolekulare Chemie》杂志,即现在的大分子化学和物理学,专门用于发表高分子科学领域的新见解。


  因此,大分子化学与物理咨询委员会的编辑和成员们非常高兴和荣幸地庆祝Staudinger发表第一篇关于聚合的论文100周年。


  高分子化学和物理学一直是高分子科学界友好而又充满活力的家园,对新思想持开放态度,即使是那些引起公众怀疑的思想,尤其是那些公开讨论的思想。只有这样一场知情的对话,才能为高分子科学领域以及人类的社会带来新的方向,尤其是在高分子的广泛使用日益受到质疑的时代,需要重新考虑已建立的应用,并进行相关必要的技术变革。为了庆祝成立100周年,高分子化学和物理学的编辑和顾问委员会成员决定分享他们对高分子科学未来的看法。


  编辑们将从科学价值和社会效益的观点出发,通过问自己该领域未来最重要的话题来开始讨论,最终确定了三个最重要的领域:新的性能和应用,新的合成方法以及可持续性。以上观点代表了高分子科学的一个最近的趋势:从仅仅是一个基本学科本身触及到其他学科,即,这是一门真正的跨学科科学,涵盖了从应用到社会需求的各个领域。“尽管如此”,Sebastian Seiffert补充说,高分子科学界应该意识到,在目前的跨学科合并过程中,不应该仅仅成为其他学科的辅助科学,而应该保留自己的基础。换句话说,正如吴奇在2013年所表达:如果大多数高分子研究人员是被资金、流行、影响因子和出版物等因素驱使进入其他领域,那应该是令人担忧的。


2、新型合成方法

  高分子在自然界中无处不在:蛋白质、多糖和DNA都是大分子。实际上高分子从高分子技术的开始就为人所知,作为胶和树脂的密封应用,它们作为材料的用途,外行称之为塑料;但也有,以乳石的形式,例如,一种由牛奶蛋白制成的人造角状材料。今天人类所知道和使用的高分子的合理发展,是由于100年前Staudinger理解大分子的本质及其合成的开创性工作才得以实现的。从单体小分子开始,把它们培育成大分子链已经成为高分子合成化学的标志。在很长一段时间里,高分子科学领域的研究都是基于这样一种思想,即高分子对我们日常生活的影响可以通过开发更多更新的单体和聚合方法来实现。让人意想不到的是,时至今日,绝大多数材料仍是由一小部分化学性质相当简单的单体的高分子所主导的,如聚烯烃、聚酯、聚酰胺、乙烯高分子、苯乙烯高分子和丙烯酸高分子,而这些高分子几乎和Staudinger的开创性研究一样古老。通过对分子量、链拓扑、序列和高分子结构的更好控制,或简单地通过改进定度(立体化学)来获得优异的性能,所有这些都将分子设计与对热、机械和其他重要性能的控制联系起来。


  当然,高分子的合成也与其他两个重要的课题紧密相连,即,开发生产具有更环保、更可持续工艺的高分子的新途径,并开发具有先进应用所需新特性的高分子。但,真的这么简单吗?


  正如Nicola Tirelli指出的:寻找具有实际应用潜力的新型高分子,如聚乙烯、聚酰胺或聚乳酸,本身就是一项极具挑战性的任务。如果考虑到现代社会用于管理创新的约束因素,这几乎是不可能的。然而,与其专注于约束本身,还不如解决它们的基础概念更可行,比如在产品中集成大量信息。


  因此,从合成的角度来看,高分子化学现在致力于将旧的单体聚合成具有新特性的高分子,以应对21世纪的所有挑战。解决这个问题的关键是高分子化学提供的工具:实际的反应和对其机理的理解。Michael R. Buchmeiser认为,虽然人们倾向于认为现代合成高分子化学是一个成熟的领域,但只要看一下高分子合成化学的最新发展,就会发现事实并非如此。一个典型的例子就是:可控聚合领域,理想的聚合反应使人类能够合成高度定义但在结构上更加复杂的大分子结构。Timothy E. Long指出该领域进一步发展:“这引发了对氮氧化合物介导聚合的初步研究,并推动了原子转移自由基聚合和可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合方法的发现, 在这里,单体的扩展库可以适应定制的高分子序列和结构。此外,茂金属催化剂的设计在20世纪90年代早期改变了高分子合成的文化,当时科学家天真地认为人类已经拥有了所有需要的高分子。但茂金属催化剂的发现很快使学术界,尤其是商品高分子界确信,还有更多的大分子结构有待发现。”


  因此,寻找新的聚合方法仍然是高分子合成化学家的基本挑战。Patrick Theato列举了其中一些新的合成方法:包括精密合成、正交化学、新的聚合方法、动力学和数字材料设计。近年来,精密高分子合成取得了长足的发展,实现了对化学功能和立体选择性的合成控制。多组分反应的使用使高分子合成的分子复杂度容易增加。聚合方法的数量也在稳步增加,同时精细的动力学研究使广泛的学术和工业应用成为可能。在信息驱动的时代,合成的数字化变得越来越重要,将自动化的高分子合成提升到一个新的水平,特别是与机器学习算法相结合的时候。这将为新的合成方法的发展开辟道路。


  除了使用数字方法来驱动高分子合成外,能够在大分子链本身内存储数字数据的高分子也正在出现。这一关键特征正通过不断改进的高分子合成方法变得越来越容易获得,这些方法受到DNA或肽的自然精度的启发,最终实现了单体在大分子链上完美序列定义的结合。Michael A. R. Meier说道:如果这样的序列定义大分子有助于提高我们对高分子的基本理解,例如通过发展定量结构、性质/活性关系,就可以实现最高的分子精确度。Laura Hartmann继续讨论说道:有机会安装高水平的结构控制和复杂性将帮助我们进一步弥合合成高分子和生物高分子之间的差距,并告诉我们哪里真正需要精确,它的缺乏可能确实是到目前为止的一个限制因素。高分子单链纳米组装领域的不断发展和扩大,其灵感来自于模拟自然折叠的生物大分子,从而实现其三维有序组织相关的复杂功能。预计设计和控制(co)高分子的选择性自折叠、组装和分类将很快成为在功能区内建立具有特殊活动的球状软纳米物体的主要工具。这种人工单链纳米结构的应用目前还不太明显;然而,在开发下一代纳米技术方面的好处将是不可估量的。


  事实上,高分子合成与高分子表征和工程紧密相连,着重指出,与传统的研究领域分离不同,高分子科学从一开始就本质上是一个跨学科领域。如今,尤其是在未来,高分子科学的这一跨学科领域发展得更加深入,例如,高分子的设计可以以可控的方式与生物系统相互作用,比如用作细胞和组织基质的高分子。可控/活性聚合,结合物理方法和新颖的纳米3D打印方法,将必须开发使用高分子作为触发的、动态的、自适应的细胞附着支架。因此,高分子科学的一个特别重点将是控制动态的超分子键,能够适应、放松和反应周围的细胞基质在分化期间的变化,从而为细胞生长提供合适的环境。


  因此,为了迎接未来的挑战,高分子团体鼓励未来的科学家共同参与解决已知和预见的问题。作为一门交叉学科,所有学科的优秀人才都被邀请参加这一高分子合成之旅。


3、先进的性质和功能

  高分子科学的领域迅速扩展,从发展对(可控)合成和结构分析的基本理解和知识,到创造具有越来越先进的性能和功能的材料。事实上,对高分子研究人员来说,发现迄今为止未知的或难以接近的特征和功能,以及新的化学结构的高分子,是一个永恒的主题。此外,高分子性质的独特性需要发现新的分析工具,能够揭示高分子中常见的最复杂的粘弹性性质。


  时至今日,人类已经生活在一个无法想象没有合成高分子的世界,或者更确切地说,它们已经深入到人类的生活中。正如Andreas Lendlein所说:实质上基于其提供特定要求功能的多功能性,高分子在消费品(如纺织品、化妆品、保健产品)、农业、包装材料、膜或建筑/建筑材料中获得广泛成功。一般来说,社会不会为玻璃转变温度买单,但他们会为玻璃转变温度决定的应用性能买单,从附着力和表面性能到气体阻隔性能,再到抗撕裂性能。当然,这对所有与应用程序相关的属性都有效。


  正如编委会的报告强调的那样,先进的性能和功能是正在进行和未来高分子研究的关键方面,应从以下三方面着手:1. 将高分子材料的性能和功能提高到一个更高的水平(即,更好的性能);2. 应用目前已知的高分子的性质和功能,探索其在新领域的应用,特别是高科技领域和潜在的生命空间,甚至是地球之外;3. 识别和创建传统高分子没有涵盖的特性和功能,即,如一些极端或未知的性质和功能,或发现具有固有导电性的高分子。


  一般来说,如果没有特殊的高分子概念和材料(例如用于微芯片技术的光阻剂),人类每天使用的很多高科技设备都不可能实现。这一趋势仍将继续:如高分子作为关键功能组件、包装和散装材料,应用到越来越数字化的日常生活(自动化、交通、智能住宅、智能城市,工业过程(4.0欢乐时时彩),产品安全,增强医学等等)需要大量的低成本标签和(无线)的交流;再如功能性高分子结构和系统将对个性化医疗产生重大影响,包括诊断、治疗和医疗技术;再如有机激光、自旋电子学、传感、计算以及治疗诊断学和基因转染等非传统问题都需要足够的高分子。与此同时,数字化将影响人类开发高分子,人工智能和机器学习将深深影响整个高分子科学的协议和框架。


  在发展高聚物的先进性能和功能的同时,也应该促进先进的分析仪器和表征方法的发展,以识别和监测这些性能和功能。Timothy E. Long说,高分子性质的测定将与未来的应用密切相关,其中高分子表征工具将可以定制,以更好地预测性能。而增材制造(3D打印)的最新进展催化了流变学和摩尔质量分析的复苏,因为这些先进的制造平台对高分子科学家提出了挑战,要求他们设计未来的加工工具。虽然新兴的3D打印技术确实需要高分子表征,但这也将人类带回了新型高分子的合成。据估计,到2030年,10%的消费产品将通过3D打印得到。尤其是,可以设想通过3D激光光刻技术实现亚衍射打印的功能光阻剂,最终实现只打印纳米宽的高分子阵列,这对电子器件制造具有巨大的影响。


  而这样的精度不仅是对3D打印的设想,而是在微观、纳米和分子水平上对高分子的测量也需要进一步提高。Timothy E. Long说道,例如,纳米尺度和微米尺度的孔隙度测量将加速能源生产和存储方面的发现,孔隙度和运输结合形态分析已经创造了前所未有的性能。新出现的制造平台需要对分子结构、物理特性和形态发展进行实时评估,而原位测量工具的开发将继续对高分子设计的未来至关重要。


  据此,引出了一个大胆的问题,设想未来的高分子能使哪些新技术成为可能?或者反过来问,人了认为需要什么样的高分子来激发新技术?在高分子领域中,讨论了预期高分子的功能起决定性作用的几个新领域,如随需应变(快速)生物降解、可编程性、可重塑性、自适应性和自愈性等功能。同时,高分子需要对各种刺激做出反应,不仅仅是光,还需要发展治疗记忆并与刺激本身相互作用。


  因此,高分子刺激反应功能的一个未来特征当然是多刺激反应。以相关的、有意义的方式组装多反应性将进一步拓展高分子的功能。其应用领域将不仅是诊断学、制药和生物材料,还包括光电子学等。当考虑结合不同的功能,可得到例如,柔软的机器人可以实现通过集成多种功能包括能源生产和收获(如催化、运动、光伏、渗透),能源储存(电池、机械存储热能),感官功能以及运动的能力, Andreas Lendlein指出。


  最后,人类将通过产生全新的高分子和材料来开发新的功能:“新型高级高分子材料将表现出传统上只存在于材料空间(如金属或陶瓷)的特性,这将通过将对有序/无序的控制(局部和全局)结合在纳米/微结构的复杂高分子组合中来实现”,Miriam M. Unterlass说。例如,具有极端性能和功能的高分子或在极端环境下使用的高分子有望实现传统高分子中不常见或从未见过的性能和功能。


  新一轮的火星之旅已经开始,这一次人类将面临一个全新的事件,共同生活在另一个星球上的太空。生命的自我维持系统是必需的,高分子也应该加入这一挑战,Jiayin Juan说道。


  高分子的功能将继续进化,以反映和匹配每个技术时代的迫切需要。自动化、数字化、新的移动性概念、生物医学的进步以及空间探索只是人类生活在这个快速发展时代的一些例子。 事实上,高分子第三个需要重点关注和对未来影响的主题——可持续性,人类需从高分子的合成和功能方面着手,以解决高分子研究的过去、现在和未来的问题。


4、可持续性

  大分子科学和工程界已经向社会证明了提供可持续技术的能力,从用于生物降解和药物传递的聚乳酸到最近用于食品包装的无-双酚-A-高分子。随着社会不断要求更可持续的解决方案,这种对可持续性的奉献将继续下去。例如,对改善农业、能源生产和消费以及获得纯净水的新可持续技术的需求很大。因此,具有纳米级形态的高分子膜可优化离子或水的选择性运输,具有刺激响应特性的包装材料可触发解聚作用,以及用于农业肥料输送的更环保的高分子,这些都是未来研究的潜在方向。随着全球人口接近100亿,大分子科学和工程必须提供可持续的解决方案,以应对迅速出现的重大全球挑战。


  公众对气候变化的认识,更普遍的是,可持续发展问题越来越明显的后果,而可持续性的重要性已体现在日常生活的各个方面,当然也在材料科学与工程领域。及时采取行动,防止产品在整个生命周期中受到进一步的损害是必要的,需要重新考虑目前的高分子生产方法,评估其消耗量以及材料在使用结束时的命运。根据布伦特兰报告《我们的共同未来》对可持续发展的定义,人类必须重新学习如何促进既满足当前需要又不损害后代满足其自身需要的能力的发展。这可能被认为是一项艰巨的任务,因为如果人类想要使我们的星球适于人类居住,同时也为新的学术发现和经济成功提供巨大的机会,就不可避免地要采取严厉措施。最近在工业上取得成功的一个例子是引进从甘蔗中提取的生物聚乙烯。


  由于高分子无疑是化学工业的巨大产出,而且高分子也已经引起了重大的和日益增加的环境关注,发展可持续的高分子化学作为人类科学界的一项任务是非常值得考虑的。人类应该把可持续的高分子放在最优先的位置。


  事实上,高分子科学有望提供可持续的解决方案,以应对与气候变化、能源、健康、生活质量、食品和清洁水相关的重大挑战。高分子设计和高效合成需要技术创新,包括绿色合成路线和加工方法(低能耗、少有机溶剂、对环境影响小)。


  为了降低与高分子合成、使用和生命周期后沉积相关的环境成本和破坏,需要在可持续高分子生命周期领域进行关键创新。更明显的是对生命终结的考虑,包括通过(化学或物理)回收或焚烧填埋到(生物)降解。Jiayin Yuan说,由于土壤和海洋中的微塑料问题,生物降解高分子从未像现在这样受到重视。然而,尽管生物降解可能能够减少环境中的微塑料,但需要根据其对环境的影响仔细评价降解产物。同样重要的是,生物降解与循环利用(即使作为能源)需要微妙的平衡。


  可再生能源用于聚合材料的合成有待进一步发展,至少在原则上,可提供碳平衡替代目前使用的和石油衍生的塑料材料的潜力。一个当前的例子是关于木材作为天然资源提供纤维素,半纤维素,木质素,萜烯和脂肪酸作为多功能高分子化学原料的讨论。讨论了在全球范围内恢复森林用地的问题,以显示在捕获大气碳和以这种方式减轻气候变化方面的巨大潜力。


  如前所述,高分子在消费品中的巨大成功实质上是基于其提供特定要求功能的多功能性。这一优势也决定了它们在可持续性方面的未来潜力。Brent S. Sumerlin反思道:在很多方面,具有讽刺意味的是,今天的高分子科学家面临的许多可持续发展的挑战,都来自于昨天的高分子科学家把他们的工作做得太好了。前辈们开发出了创新的材料路线,但这些材料可能过于坚固、耐用,而且来自于过于廉价的资源。在下一个世纪,高分子的主要责任之一就是通过创造性的化学继续创新,同时不忘记过去的教训。


  可持续高分子化学的成功将在很大程度上依赖于该领域的进一步的科学进步,但更依赖于社会的意愿,以使其变得更好。


5、结论

  在此,文章中讨论了高分子科学的未来,也看了认了现在所处的位置和目前面临的挑战。高分子科学一直需要各种能力,从综合到物理、工程和理论,从物理到生物和医药特性,以及从基础到应用主题。在真正体现了高分子科学贡献的巨大带宽的同时,与这一日益增加的跨学科性相关的一个最近的挑战是,越来越多的与高分子相关的主题出现在新的科学期刊上,但不是与高分子领域直接相关,这很容易导致稀释效应,降低对高分子科学作为一个领域贡献的认可。研究者指出,作为一个高分子科学社区,需要应对这一挑战,并找到弥补这种不对称的机制。


  除了学科间的交叉之外,高分子界长期以来因其连接学术界和工业界而闻名,甚至受到其他化学学会的羡慕。但研究者指出,这种双方之间的长期协议是否仍然存在,但他们坚信,基础研究永远可以成为工业的主要刺激因素。


  同时,研究者说道,一个没有高分子的未来世界是不可想象的。它们能改变:例如,隔热,纤维和服装,流动性,建筑材料、微电子学、绿色能源、土壤肥力,食品包装安全,寻找新的抗生素,再生医学,基于喷墨的分散制造,用于风车的轻质复合材料和流动性,外太空探索,而只是从一个纯粹的无尽的列表中列举的几例。


  令人欣慰的是,载体高分子科学从早期的Staudinger的假设到目前的蓬勃发展,工业高度相关,使之成为可能的领域是没有间断的。然而,人类有责任继续塑造高分子科学的未来。研究者相信,这种坚韧和热情对于解决上述当前和未来的挑战,培育高分子的新领域,并让其在下个世纪继续蓬勃发展是十分必要的。


  参考链接:Abd‐El‐Aziz, A. S., Antonietti, M., Barner‐Kowollik, C., Binder, W. H., B?ker, A., Boyer, C., Buchmeiser, M. R., Cheng, S. Z. D., D’Agosto, F., Floudas, G., Frey, H., Galli, G., Genzer, J., Hartmann, L., Hoogenboom, * R., Ishizone, T., Kaplan, D. L., Leclerc, M., Lendlein, A., Liu, B., Long, T. E., Ludwigs, S., Lutz, J.‐F., Matyjaszewski, K., Meier, M. A. R., Müllen, * K., Müllner, M., Rieger, B., Russell, T. P., Savin, D. A., Schlüter, A. D., Schubert, U. S., Seiffert, S., Severing, K., Soares, J. B. P., Staffilani, M., Sumerlin, * B. S., Sun, Y., Tang, B. Z., Tang, C., Théato, P., Tirelli, N., Tsui, O. K. C., Unterlass, M. M., Vana, P., Voit, B., Vyazovkin, S., Weder, C., Wiesner, U., Wong, W.‐Y., Wu, C., Yagci, Y., Yuan, J., Zhang 2000216, G., The Next 100 Years of Polymer Science. Macromol. Chem. Phys. 2020, 2000216. https://doi.org/10.1002/macp.202000216


  原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/macp.202000216?from=timeline


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(责任编辑:xu)
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