改變世界的五種材料，包裝行業(yè)占有兩席

1939-40年的紐約世博會(huì)，人們第一次見(jiàn)識(shí)了世界上第一種全部由人工合成的纖維——尼龍。尼龍是由杜邦公司的科研機(jī)構(gòu)于1935年研制成功，在世博會(huì)上作為新的針織類(lèi)產(chǎn)品面市。“全部由諸如煤炭、水和空氣這類(lèi)常用原材料制成”的細(xì)絲，卻有如鋼鐵般的力量。時(shí)至今日，尼龍仍然被廣泛應(yīng)用于纖維織物、家居裝飾用品、體育用品、樂(lè)器的弦和汽車(chē)零部件中。
　
　　這里我們將介紹塑造全新未來(lái)的五類(lèi)聚合物：

　　1. 生物塑料（Bioplastics）

　　眾所周知，不能被降解的塑料是一種常見(jiàn)的環(huán)境污染來(lái)源。更糟糕的是，這些我們稱(chēng)之為單體的塑料的構(gòu)件，來(lái)自不能再生的遠(yuǎn)古的原油。

　　感謝在生產(chǎn)過(guò)程中使用的酶和催化劑，它們使得這種情況開(kāi)始發(fā)生改變。未來(lái)極有可能將諸如沼氣等可再生能源轉(zhuǎn)化為制造塑料和合成橡膠的主要構(gòu)件。

　　由于保存了化石原料，這些材料將變得可持續(xù)，但這只是解決了部分問(wèn)題。除非它們也能夠被生物降解，否則，對(duì)于環(huán)境來(lái)說(shuō)它們?nèi)匀皇且粋€(gè)問(wèn)題。

　　2. 塑料復(fù)合材料/納米復(fù)合材料（Plastic Composites/Nanocomposites）

　　塑料復(fù)合材料是由不同纖維構(gòu)成的更加堅(jiān)固或有彈性的塑料。舉個(gè)例子，你在聚合物中鑲嵌一些碳纖維來(lái)增加強(qiáng)度，可以制造出一種用于現(xiàn)代節(jié)能型交通工具的輕質(zhì)材料。

　　這類(lèi)纖維增強(qiáng)塑料（fibre-reinforced plastics）的使用正在快速發(fā)展，特別是在航空航天工業(yè)（波音787和空客A360都有50%的復(fù)合材料）。如果不是由于成本過(guò)高，這些材料將被用于所有的運(yùn)輸工具。

　　最新出現(xiàn)的納米復(fù)合材料，用微粒子代替了其他包括了石墨烯在內(nèi)的物質(zhì)來(lái)加強(qiáng)塑料。這種新材料用途潛力無(wú)窮，從風(fēng)力渦輪葉片上輕量傳感器到電量更足的電池，再到植入人體的用于加速骨折恢復(fù)的支架。

　　如果我們成功地將納米復(fù)合材料在嚴(yán)密控制的工作條件下加工生產(chǎn)，將是令人心潮澎湃的一件事情。如果我們觀察自然材料例如木材的結(jié)構(gòu)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們驚人得復(fù)雜。相比之下，我們現(xiàn)有的復(fù)合材料和納米材料是那么得不成熟。

　　3.有自愈能力的聚合物（Self-Healing Polymers）

　　基于對(duì)承受機(jī)械壓力以及環(huán)境適應(yīng)能力的考量。無(wú)論我們?nèi)绾稳绾巫屑?xì)地為工程應(yīng)用挑選材料，在撞擊或疲勞等因素所造成的老化、退化和機(jī)械完整性損失的影響下，這些材料都會(huì)不可避免地失敗。而我們不僅要付出昂貴的花費(fèi)，有時(shí)還會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)災(zāi)難，就像2010年在墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺(tái)爆炸事件那樣。

　　源于生物系統(tǒng)的靈感，科學(xué)家正在研發(fā)具有自愈能力的新材料。這可以用修復(fù)以往被人們認(rèn)為不可逆轉(zhuǎn)的損傷。盡管聚合材料不是唯一擁有自愈能力的材料，但是它在這方面尤為擅長(zhǎng)。距離世紀(jì)之初這一能力第一次被發(fā)現(xiàn)，短短幾年內(nèi)，他們已經(jīng)提出了多項(xiàng)創(chuàng)造性的治療系統(tǒng)

　　由于有自我修復(fù)能力的聚合物所需要的設(shè)計(jì)比以往的聚合物要復(fù)雜的多，要想將這些概念推廣大量應(yīng)用，仍舊是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。但這似乎是生產(chǎn)既耐用又能容錯(cuò)的材料的最終路線，可用于包括鍍膜、電子產(chǎn)品和運(yùn)輸之類(lèi)的產(chǎn)品。

　　4. 塑料電子（Plastic Electronics）

　　大多數(shù)聚合物是不導(dǎo)電的絕緣體。艾倫•麥克戴米德（Alan MacDiarmid）、艾倫•黑格（Alan Heeger）和白川英樹(shù)（Hideki Shirakawa）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為聚乙炔的聚合物，通過(guò)摻雜過(guò)程將雜質(zhì)引入其中后可導(dǎo)電。在2000年諾貝爾獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)禮后，聚合物研究的這個(gè)領(lǐng)域又一次高潮涌起。

　　這一過(guò)程不僅能使其他類(lèi)似聚合物導(dǎo)電，其中一些甚至還可以轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管（LED），提升了可彎曲電腦屏幕的前景。

　　聚合物仍然面臨來(lái)自同行各業(yè)的巨大挑戰(zhàn)和激烈競(jìng)爭(zhēng)，例如硅和有機(jī)發(fā)光二極管。不過(guò)，要尋找便宜的可彎曲電子設(shè)備替換件，聚合物是很好的選擇，因?yàn)樗鼈兒苋菀自谌芤褐羞M(jìn)行處理，并且可以用來(lái)3D打印。

　　在半導(dǎo)體中，聚合物可以作為其他物質(zhì)的載體，例如導(dǎo)電油墨。這種將聚合物作為導(dǎo)電部分仍然需要大量研究。

　　5. 智能聚合物和反應(yīng)性聚合物（Smart And Reactive Polymers）

　　凝膠和合成橡膠可輕松地對(duì)外部的刺激做出形狀上的調(diào)整，這也意味著他們能夠?qū)Νh(huán)境的改變做出響應(yīng)。外部的刺激通常會(huì)是溫度或酸堿性的改變，也可能是光、超聲波或者化學(xué)藥劑。在設(shè)計(jì)智能傳感器的材料、藥物運(yùn)輸設(shè)備和眾多其他應(yīng)用程序上，這也被證明是非常有用的。

　　如果刻意設(shè)計(jì)，可以極大地?cái)U(kuò)展聚合物對(duì)各種刺激的本能反應(yīng)。例如，機(jī)械響應(yīng)聚合物(mechanophors)，通過(guò)分子單位收到機(jī)械力可以改變聚合物的性質(zhì)。這些是具有廣闊潛力的工業(yè)應(yīng)用，特別是將自愈技術(shù)加入以后。

　　其他智能聚合物的應(yīng)用還有許多，包括可以窗戶(hù)臟后自動(dòng)擦窗戶(hù)的鍍膜，以及當(dāng)傷口愈合時(shí)自動(dòng)消失的醫(yī)療針。