就在身边，你一定与它亲密接触过
要是在大街上突然有人问你“高分子材料”是啥，你大概率会挠头：“听着就像某生化实验室里添加‘科技与狠活’炼制的高端玩意儿，跟我这柴米油盐平淡的日子八竿子打不着!”先别急着划走，想象一下某天地球上全部的高分子材料一夜之间都消失了，你醒来后会惊奇的发现，这个世界到处充斥着金属色和水泥灰，而你也“赤身裸体”睡在硬邦邦的弹簧上。是的，从你身下软弹的乳胶床垫，穿着舒适的棉睡衣(棉纤维也是天然高分子哦)，盖着保暖又透气轻薄的聚酯纤维被，到早上起床刷牙用的塑料牙刷，出门穿的运动外套和运动鞋，再到打包早饭的塑料餐盒，甚至你手握的方向盘、工位上的午休抱枕，全是它的“分身”。但这货可不是科学家闷在实验室里憋出来的“高大上”发明，早在几千年前，咱们的老祖宗就已经把天然高分子材料玩得风生水起了。今天，咱就抽点时间，扒一扒高分子材料的“奋斗史”，看看它是怎么从没人认得出的“野生材料”，一步步逆袭成改变世界的“顶流材料”的。
“链”就本领，“手牵手”相连成传奇
在进入寻找高分子材料“奋斗史”的主线任务前，咱们先给它下个接地气到能刻进DNA的定义。众所周知物质是由原子构成的，多个原子通过化学键连接组成分子;分子通过重量(通常用相对分子质量Mr表示)不同来分类，重量轻(Mr小于1000)的叫小分子，重量大(Mr大于1000)的叫大分子;而高分子材料简单的说，它就是由成千上万个被称为“单体”的小分子像小朋友手拉手做游戏一样，连成长长的“分子链”，很多条“分子链”如拧绳子一样缠缠绕绕，最终形成的高分子材料，它的相对分子质量可以达到10万-1000万。不同的单体、不一样的“拧法”等都会赋予高分子材料各种神奇技能，有的材料韧性属性拉满，有的材料点出了耐高温特技，有的材料则解锁了与生物体亲密融合天赋……。
匠心独运，天然高分子的国货之光
咱们把时间拨回几千年前的古代中国，这时候的高分子材料还属于“纯天然无添加”款，主打一个“就地取材”。咱们的祖先发现，有些东西天生就带着“高分子属性”——比如蚕丝，这可是自然界给人类的“顶级布料”。蚕宝宝吐的丝，本质上就是一种由氨基酸组成的蛋白质高分子，抗拉伸能力是普通钢材的11倍(按单位质量计算)!古人用它织成丝绸，不仅穿起来舒服，还成了“硬通货”，丝绸之路能穿越万里的黄沙，将东方的璀璨文明传播到世界的每个角落，蚕丝这根“高分子细丝”功不可没。估计当时的王公贵族也不知道啥是高分子，只知道“这料子真丝滑，穿出去倍儿有面”。除了蚕丝，另一种天然高分子材料也在古代C位出道，那就是——漆器。你见过出土的战国漆器吗?亮得能当镜子，历经几千年都不腐坏，靠的就是主要成分为漆酚的天然树脂，成语“如胶似漆”中的漆说的就是它。古人把漆树汁刮下来，加点颜料，涂在木头、竹子上，反复刷几遍再晾干，就能做出又好看又耐用的漆器。那会儿的漆器可比青铜器金贵，毕竟漆树汁来之不易，刷一遍等干就得好几天，堪称古代的“奢侈品”，要是放在现在，这工艺绝对能评个“非物质文化遗产”。生漆坚固耐用、耐热耐腐蚀的核心原理就是天然高分子的“酶促氧化交联反应”。新鲜漆树汁里，无数漆酚分子就像一群活力满满的单身“俊男靓女”，而作为漆酚家族“长辈”的漆酶——这类含铜的氧化还原酶，早已肩负起“撮合使命”，它精准找到空气中的氧气作为“金牌媒人”，这场奇妙的“分子联姻”便悄然开启。氧气这位媒人可绝非等闲之辈，它在漆酶的催化引导下，能精准激活每一位漆酚“男女青年”。在“家长”漆酶的全程见证与“媒人”氧气的巧妙促成下，这些被激活的漆酚分子纷纷伸出“手”，一个个“俊男靓女”两两配对、手牵手紧密相拥，逐步缔结连理，形成坚固的如同金刚石一样的立体网状结构。
美洲奇遇，神秘玩具的“蝶变”之路
看完中国古代的“天然高分子玩家”，再把目光转向国外，古代美洲的印第安人也发现了一种神奇的高分子材料——橡胶。他们生活在热带雨林里，偶然间发现橡胶树的树皮被划破后，会流出一种乳白色的汁液，这就是天然橡胶乳液。印第安人试着把这种汁液收集起来，倒在模具里晒干，没想到干了之后居然变成了有弹性的固体，于是他们就用它做成球、鞋子、容器等东西。其中最出名的就是橡胶球，这种球直径大概几十厘米，表面光滑，弹性好到能弹到和人一样高，印第安人不仅用它举行祭祀活动——认为橡胶球的弹跳力是“神力”的体现，还会组织橡胶球比赛，输的一方甚至可能被当作祭品，可见橡胶球在他们心中的神圣地位。估计印第安小朋友的快乐，全是这颗橡胶球给的，毕竟在没有玩具的古代，谁能拥有一个能弹老高的球，谁就是“这条街最靓的仔”。不过那时候的天然橡胶有个致命缺点：脾气太古怪，完全“看天吃饭”。天热的时候，它会变软融化，粘一手黏糊糊的汁液，放在衣服上能直接粘出一个洞;天冷的时候，它会变得又硬又脆，一摔就碎成好几块，根本没法正常用。就这么个“挑三拣四”的材料，被欧洲人发现后，虽然引起了兴趣，但因为这个缺点，一直没能大规模应用，只能用来做一些小玩意儿。直到19世纪中期，一个叫查尔斯·古德伊尔(CharlesGoodyear)的美国人，才彻底“驯服”了它。说起来，这还是个充满巧合的故事：古德伊尔没有正式学过化学，他改良橡胶只能像开盲盒一样，不断地往里加入各种物质，为了买材料做实验他花光了积蓄，甚至到了穷困潦倒的地步;邻居和亲戚们常常调侃道：如果你碰到一个人，帽子、围脖、大衣、背心、鞋子全是橡胶做的，口袋里没有一分钱，那么这个人就是查尔斯·古德伊尔。某天他不小心把混了硫磺的橡胶样品掉进了火堆里，慌慌张张拿出来后发现，这橡胶居然变了——不仅不粘手了，就算放在太阳下晒，也不会融化，冬天放在户外，依然保持着良好的弹性，真是无意间开出了“隐藏款”。他反复试验，终于摸透了其中的门道：硫磺能让橡胶的高分子链之间形成“桥梁”，让原本松散的分子链变得更稳定，这就是大名鼎鼎的“硫化反应”。橡胶也从此摆脱了“季节性玩具”的身份，变成了实用材料，后来更是成了汽车轮胎的核心原料要是没有硫化橡胶，汽车只能在春天跑，夏天怕轮胎晒化了，冬天担心轮胎碎掉，著名轮胎品牌“固特异”就以古德伊尔的名字作为商标来纪念这位“硫化橡胶”之父。古德伊尔这波“意外之财”，不仅改变了橡胶的命运。更直接给高分子材料的“近代化”按下了加速键。
近代启程，台球邂逅初代“网红”赛璐珞
近代高分子材料的“打怪升级之路”起始于19世纪中后期，期间诞生的初代“网红”属于“赛璐珞”。故事要从瑞士巴塞尔大学的舍恩拜教授说起，这位老哥妥妥一名“家庭实验党”，放在现在他的邻居分分钟要搬走。1846年的某天他在家里厨房做实验，不小心打翻了装有浓硝酸和浓硫酸的瓶子，顺手将墙上挂着的棉布围裙扯下来擦地，随后清洗干净并挂在火炉旁烤干。注意，前方高能!在烤干的过程中，棉布围裙并没有恢复本身的柔软，而是变得邦硬，最后还突然窜起火苗子烧了起来!事出反常必有妖，舍恩拜敏锐的察觉其中必然发生了某些化学变化。于是他立马动身前往学校实验室，将棉花、浓硝酸和浓硫酸混在一起，鼓捣出了一种硬得像石头的新材料——硝酸纤维素。舍恩拜将硝酸纤维素溶于酒精乙醚混合液，并给这个“宝贝”起名叫“珂罗酊”，还顺手拿了专利。只是这初代塑料实在“桀骜不驯”，硬到能当砖头用，无法对其加工塑形，限制了它的普及与应用。此后很长一段时间，科学家们围着它愁眉苦脸，试了无数种溶剂想给它“松松骨”，都收效甚微。真正给硝酸纤维素带来泼天流量的机遇，还要靠一场台球引发的“重金悬赏”。
1865年美国南北战争结束后，有钱人突然迷上了室内象牙台球，一时间大象们惨遭“围猎”，象牙价格飙到天际，市场直接告急。此时一家台球公司急得跳脚，甩出一万美元悬赏(相当于现在一百多万人民币)，求一种能替代象牙的材料。重赏之下必有勇夫，一位叫海特的印书商兼业余化学家，揣着好奇心就扎进了实验室。海特和古德伊尔一样，没受过正规科学训练，却自带“民间发明家”的脑洞。从1869年开始，他和弟弟在家捣鼓各种配方，终于在1870年解锁了“神级辅助”——樟脑的酒精溶液。这玩意儿堪称硝酸纤维素的“专属软化剂”，加进去之后，原本硬邦邦的材料瞬间变得柔韧可塑好加工，让这款本来属于“拉完了”级别的材料原地变“夯”，直到现在它仍是硝酸纤维素的最佳增塑剂。海特给樟脑增塑硝酸纤维素取名“赛璐珞”，只是这赛璐珞天生带“暴脾气”，虽然模仿象牙的质感惟妙惟肖，却极易燃烧——早期的赛璐珞台球相撞时，甚至可能冒出火花，酒吧老板们直呼“玩球像拆炸弹”。更搞笑的是，赛璐珞衬衣衣领因防水抗皱成了当时爆款，却逼得抽烟的男士们只能“忍烟止渴”，毕竟谁也不想穿着“易燃领”变成移动火源。尽管脾气火爆，赛璐珞还是接住了这泼天的流量，掀起了“材料革命”。
19世纪70年代起，它不再局限于台球，化身“万能替身”：替代象牙做假牙、冒充玳瑁做梳子、变身刀柄镜框装点生活，算是开启了塑料工业化的先河。它最颠覆性的贡献，是掀起了摄影行业的一次革命。在赛璐珞出现前，摄影师们得背着沉重的玻璃底片出门，拍照真的是在干活“搬砖”;1884年美国柯达公司创始人伊斯曼用赛璐珞做成软胶底片，它轻便又便宜，甩了玻璃底片几条街，不仅让柯达相机走进千家万户，还催生了电影行业的诞生。只是这胶片依旧继承了“易燃基因”，早期电影院常发生胶片自燃事故，给观众直播火灾现场。赛璐珞的易燃属性终究是致命伤，随着事故频发，人们寻找到了“脾气更好”的替代品——醋酸纤维素。醋酸纤维素不仅阻燃，还成了优质胶片和人造丝的原料，如今醋酸纤维素广泛应用在3D打印材料、医用透析膜、香烟过滤嘴等地方。高分子材料的早期发展史完美诠释了“摸着石头过河”的科学真谛，让我们致敬这位“暴脾气”的传奇初代“网红”赛璐珞。
合成元年，“电木”时代与“塑料之父”
进入20世纪，高分子材料彻底迎来了“爆发期”——人类终于不再满足于“等靠要”，开始主动“造”高分子材料，也就是“人造高分子”，从此告别了靠大自然“投喂”的日子。1907年，美籍比利时科学家贝克兰(Baekeland)做出了一个改变世界的发明：第一种合成高分子材料——酚醛树脂，也就是我们常说的“电木”。正所谓时势造英雄，它的诞生，刚好赶上了电气时代的浪潮。酚醛树脂有三个堪称“逆天”的优点：机械强度高，抗冲击不易磨损;耐高温，加热时不会变形融化;绝缘性好，电阻值极大(通常为5.2×1015Ω·cm)。要知道，当时刚进入电气时代，电灯、电话机、收音机等电器越来越多，但这些电器的外壳和零部件一直找不到合适的绝缘材料，只能用木头或者陶瓷，木头容易受潮变形，湿木还不绝缘，陶瓷重量大还易碎。酚醛树脂一出现，直接解决了这个难题，很快就被批量生产，用来做电灯开关、电话机外壳、收音机机壳，甚至飞机的零部件。在二战期间，它还被用来做坦克的仪表盘、齿轮等关键部件，因为它不可燃，耐酸碱腐蚀。酚醛树脂凭借“质优价廉、性能能打”的优势，迅速占领了市场，成为了当时顶流的材料。贝克兰于1910年成立了自己的通用酚醛塑料公司，专门生产酚醛树脂，很快他就赚得盆满钵满，成为了当时的“富豪科学家”。1940年贝克兰获得《时代》周刊“塑料之父”称号，1999年《时代》周刊评选出20位20世纪最有影响力的科学家，贝克兰再次入选并与爱因斯坦、哈勃等人齐名，后世有学者甚至建议将1907年定为“合成高分子元年”。
尼龙热潮，爆款丝袜与战火功勋
在酚醛树脂之后，高分子材料界可谓“神仙打架”，各种“黑科技”材料层出不穷，其中最出圈的，当属尼龙。1938年，美国杜邦公司的华莱士·休姆·卡罗瑟斯(WallaceHume Carothers)科学家团队，经过多年研发，终于合成出了第一种合成纤维——尼龙。这种材料一诞生，就自带“爆款体质”：比蚕丝还结实，相同粗细的尼龙丝和蚕丝，尼龙丝能承受的拉力是蚕丝的2倍多;而且耐磨耐造，用它做的衣服穿好几年都不会破;还容易染色，能做成各种鲜艳的颜色，不像蚕丝染色那么麻烦。尼龙最开始是用来做袜子的，1939年纽约世博会期间，杜邦公司首次展示了尼龙袜子，当天就吸引了几十万人围观，第一批上市的尼龙袜子只有几千双，一上架就被疯抢一空，很多女性为了买到一双尼龙袜，排了好几个小时的队，甚至有人愿意用自己的珠宝、手表换一双。当时还流传着一句话：“拥有一双尼龙袜，是每个美国女性的梦想”，甚至出现了“一双尼龙袜换一只羊”的夸张盛况——要知道，在当时，一只羊可是普通家庭大半年的生活费。好景不长，尼龙上市没多久，二战就爆发了，原本用来做袜子的尼龙，被紧急征用，用来做降落伞、军靴鞋带、帐篷、绳索等军事用品。据统计，二战期间，杜邦公司生产的尼龙，有90%都用来支援前线，盟军的降落伞大部分是尼龙做的，比之前用的丝绸降落伞更结实、更便宜，产量也更大，仅1943年一年，就生产了上亿平方米的尼龙降落伞布。可以说，尼龙为盟军的胜利立下了汗马功劳，是名副其实的“战争功臣”。
石油时代，降服“顽固”分子到聚烯烃的量产突破
就在尼龙袜疯狂吸睛的时候，黑色黄金——石油也悄悄的搭上塑料时代的航船。上世纪30年代，来源于石油的聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)这些小伙伴纷纷从实验室走进工业化生产线，唯独乙烯和丙烯这两个“顽固派”由于分子结构的原因，不愿意牵手发生聚合。1933年3月，英国帝国化学公司的两位化学家埃里克·福塞特(Eric W. Fawcett)和雷吉纳德·吉布森(Reginald O. Gibson)将乙烯气体加压到1700个大气压，在170摄氏度温度下意外得到一些白色的蜡状粉末，经过检测这些粉末就是期待已久的聚乙烯，只可惜它的分子量很低，而且合成条件涉及高压，无法满足大规模工业化应用。就在人们认为研究聚乙烯工业化合成到了山穷水尽的时候，50年代化学界的两位“大佬”——德国的齐格勒和意大利的纳塔直接机械降神，联手搞出了个超牛的发明：用三乙基铝和四氯化钛搭配成金属络合催化剂(Ziegler-Natta催化剂)，在使用这个催化剂后，聚乙烯的合成压力从以往需要几百个大气压直接降至常压，合成的聚乙烯分子量也足够大，这就是现实版的降维打击。随后低压聚乙烯在1952年实现工业化生产，低压聚丙烯也在1957年跟上了脚步，这可是高分子化学史上的大突破!因为靠着石油当原料，高分子工厂直接升级成“万吨级规模”，年产10万吨的大工厂再也不是遥不可及的梦想。而这两位大佬的杰出贡献也被世界认可，1963年的诺贝尔化学奖被他俩联手拿下，这份荣誉可以说是实至名归。就在两位“大佬”获得“炸药奖”的13年后，高分子材料的工业化产量首次超越钢铁，它正式和金属材料、无机非金属材料组队“封神”，稳稳坐实了现代材料圈T0级别的席位。聚乙烯质地轻盈、防水防潮，被用来做塑料袋、塑料瓶、保鲜膜等，也是目前全世界年产量最大的塑料(2025年超过1.6亿吨)。聚丙烯使用温度宽(-30～140℃)、抗弯折、耐腐蚀、绝缘性好，常被用来制作水杯、饭盒、电器外壳、车辆内饰件等，随着新能源汽车的普及，聚丙烯产能也将迎来爆发式增长。
开宗立派，从“胶体论战”到学科大厦的建立
从古德伊尔“撞大运”发现硫化的秘密到20世纪高分子材料“光速”发展，其背后是个别人“小打小闹”到一门正经学科“开宗立派”的过程。1833年瑞典化学家贝采里乌斯提出“聚合物”名词，这个词仅仅描述了高分子材料是小分子的聚集体，至于以何种方式聚集却不得而知，直到“开山祖师”德国化学家施陶丁格(Hermann Staudinger)成功“破圈”。他在亚琛工业大学任教期间对高分子结构组成问题着了迷，1922年发表了论文《论聚合》，首次预言高分子是共价键连接的长链大分子。但这位41岁年轻大学老师“离经叛道”的预言与当时主流学界长期信奉小分子胶体聚集体的理论背道而驰，“网暴”嘲讽他的学者比比皆是。“上士闻道，勤而行之”，施陶丁格并没有理睬当时的“杠精”们，他只是反反复复做实验测分子量，希望用事实证明自己。1926年瑞典科学家斯维德贝格通过超离心机测定蛋白质分子量是几万至几百万，这样的结果直接“打脸”了胶体理论的捍卫者，证实了蛋白质这种高分子是由共价键连接小分子所构成的长链，它不同于胶体聚集体，其自身有着很高的分子量。1932年施陶丁格总结了自己的大分子理论,出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》，高分子化学也作为一门新兴学科从此建立起来。1953年，诺贝尔奖评选委员会将当年的化学奖颁给了施陶丁格，以表彰他对高分子科学的贡献，这场胶体和大分子之争终于盖棺定论。
如果说“祖师爷”施陶丁格创立了大分子学说这门“武功绝学”，那即将提到的保罗·约翰·弗洛里(Paul John Flory)就是将这门绝学推向顶峰的“一代宗师”。弗洛里博士阶段研究的是光化学，1935毕业后进杜邦公司工作，误打误撞加入了上文提到“尼龙之父”卡罗瑟斯团队，那时的他对高分子完全是“门外汉”，慢慢的在卡罗瑟斯大牛的指导下，弗洛里开始入门并展现出非凡的科学直觉。当时学术界已经普遍接受了施陶丁格关于高分子是大分子长链的说法，但是关于这条长链如何增长，在溶液中如何运动，多条长链怎样互相缠绕等问题依然不清楚。这位年轻人敏锐察觉到大分子长链各种行为看似杂乱无章实则是有规律的，他总结了前人的研究，天才般的利用了数学、统计力学、热力学这套硬核工具，凭一己之力给乱糟糟的高分子长链立了“规矩”，为后世研究者建立了一套通用数学模型。1953年弗洛里出版了高分子学界的“圣经”——《高分子化学原理》，书里写满了密密麻麻的公式，至今仍是学高分子材料学生的“快乐源泉”(或者说“痛苦回忆”?)。1974年诺贝尔奖颁给他时，评委直言这是“迟到的肯定”，就像牛顿《自然哲学的数学原理》用简洁的数学模型揭示运动的本质规律一样，他的理论直接撑起了现代高分子物理化学的半壁江山。
现代“顶流”，高分子材料化身“全能高手”
到了现代，高分子材料更是“上天入地”，成了高科技领域的“香饽饽”。“神舟”飞船返回舱的耐烧蚀涂层、人造卫星的太阳能电池板基底，用的是耐高温、高强度的特种高分子材料;深浅利器“蛟龙号”的“命根子”深海应急救生缆，用的是一根直径仅6毫米的特制无接头超高分子量聚乙烯纤维缆绳，如果用普通钢材制作直径将达到它的8倍。医疗领域的人造心脏瓣膜、人工关节，用的是生物相容性好的高分子材料，能和人体组织“和平共处”;救命“神器”ECMO(体外膜肺氧合)的氧合器，用的是中空纤维状高分子膜，能够提供更多的气体交换表面积，大大提高氧气和二氧化碳的交换效率;新能源汽车的锂电池正负极隔膜，用的是不导电的微孔复合高分子材料，它既能让锂离子“畅快”的通过，也能抑制危险的锂枝晶形成;甚至连我们的折叠屏手机屏幕，用的也是高分子材料，可弯折耐磨还透光。高分子材料不仅可以单打独斗，还能拉着金属、玻璃、陶瓷等材料一起玩“混搭风”，与铝板“贴贴”可以变成建筑外墙轻盈的铝塑板，与玻璃纤维、碳纤维复合可以制造高强度的船体，与水泥砂浆混合可以化身高性能的防水涂料，与铁纳米颗粒混合可以为战斗机披上隐身衣……。可以说，没有高分子材料，就没有我们现在的高科技生活。
回头看看高分子材料的历史，从古代的天然蚕丝、漆器，到近代的橡胶硫化，再到现代的合成塑料、特种高分子、复合材料，它就像一个“潜力股”，一步步从幕后走到台前，改变了人类的生产生活，也离不开如古德伊尔、贝克兰、齐格勒、纳塔、施陶丁格、弗洛里等科学家们前赴后继的探索。现在，科学家们还在不断研发新型高分子材料，比如生物基降解塑料、智能高分子材料(能感知温度、湿度变化并做出反应)。未来，高分子材料还会带给我们更多惊喜。下次再看到塑料瓶、化纤衣服，可别再小看它们了，它们可是有着几千年“奋斗史”的“顶流材料”哦!
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