理论的红利

在高分子工业的创始阶段便有理论家参与材料设计。尽管这一产业已经成熟,但仍然像以前一样需要理论家为高分子新材料的发展和应用继续做出贡献。

原文:Nature Materials 2008, 7, 261

原作者:Glenn H. Fredrickson,高分子理论学家,加州大学圣巴巴拉分校教授,目前致力于发展高分子场论模拟The Equilibrium Theory of Inhomogeneous Polymers 一书的作者

高分子是当今世界最常见的材料之一。固体高分子(即塑料)是汽车、飞机、家具和家电的主要部件,并且在保健、建筑等方面也在起着越来越重要的作用。类似地,橡胶和弹性体在轮胎、胶粘剂和运动装备方面作用重大。高分子溶液对于油漆、涂层和各种个人护理用品如护发素和发型固定剂、指甲油和指甲护理乳液等的性能有至关重要的影响。

高分子材料无处不在,不仅仅在于它们易于加工,还在于它们功能多样。通过调整单体的化学结构、高分子的分子量或分子量分布、支化程度,可以使材料具备各种令人吃惊的物理性质。

调节高分子材料性质——结构关系的方法有多种多样,这使高分子材料的理论理解意义重大。如果我们理解清楚了高分子性质与结构之间的关系,那么高分子材料性能调节就可以变得方便快捷,这也是高分子工业界希望看到的。为此,高分子理论和高分子理论学家对高分子工业发展的价值不应被低估。随着企业本身对基础研究资助的削减和对直接指向应用的要求的不断增长,企业与学术界联合进行理论研究变得越来越有必要。

高分子工业的进化

相对其他重要类型的材料如金属和陶瓷而言,高分子材料是相当年轻的,只有大约75年的历史,然而高分子材料发展速度惊人,许多主流的塑料已经成为了大规模生产的大宗商品。这些材料的大宗商品化削弱了对其加强研发力度的动力,但是,不断涌现的应用于各种领域的特种高分子材料吸引了生机勃勃的研究投入。特种高分子的性质可以与高性能工程高分子如尼龙、聚酯(如聚对苯二甲酸乙二酯,简称PET)、聚碳酸酯相媲美甚至超过它们。高分子早已是最顶尖的技术应用的组成部分,如应用于印制超高密度集成电路的光刻胶。半导体高分子有望用于制造先进的显示器。在保健和医学领域,高分子已经应用于组织工程、药物释放和基因疗法。高分子在化妆品和化妆用具产业中也将会有重要的应用,富裕的工业国家的老龄和肥胖人口对化妆品和化妆用具有很大需求。

能源和可再生原料领域的快速发展也为高分子研究提供了极大机遇。光伏器件和电池、燃料电池都对高分子科学家提出了意义重大和激动人心的挑战。世界范围的饮用水短缺将会推动对超滤膜和脱盐膜的需求。当前,全球变暖和运输燃料的可回收原料如生物柴油,引起全社会的关注,这使人们重新对利用工业废料和副产物如二氧化碳和甘油制备可回收资源高分子的兴趣。

要实现这些方面的应用,需要设计出全新的高分子,或者改造现有的高分子使其满足新的要求。后者反映在高分子工业的一个重要增长领域:特种通用高分子。在这两种情况下,未来在市场上取得成功将不再是仅简单制造塑料的企业,而将是那些懂得如何设计和营销应用下一代高分子的产品的企业。

理论的进化

理论高分子科学曾经在一段时间里与高分子工业并行发展。在高分子科学的早期阶段,理论学家面对与表征、溶解、加工和操作高分子的性质相关的无数挑战。那个时期最著名的大牛是保罗·弗洛里(Paul Flory),他的学术领域是物理化学,但是他花大量时间与工业界合作,研究化学动力学、分离和加工,现在这些课题都已经成为化工学科的问题。二十世纪六七十年代,先驱者如Edwards皮埃尔-吉勒·德热纳 等将理论物理学中的一些强有力的工具应用于高分子的研究,使高分子科学的面貌焕然一新。这些工具包括场论方法、重正化群和标度概念,这些方法非常有助于洞察高分子熔体、溶液、网络和凝胶的结构、热力学和力学性质。这些工作在上个世纪的八十年代得到进一步的拓展,为研究缠结高分子的流动和粘弹性质提供了分子基础,这些课题与高分子工业品的加工紧密相关。这个时期的另一个显著特点是,对高分子材料的纳米结构的理论关注开始增多,研究的体系包括嵌段和接枝共聚物及高分子表面和界面体系。在这个时期,解析的理论方法得到精炼,为一些强大的数值模拟方法的发展奠定了基础,这些数值模拟方法在那以后的二十年里广泛用于分析高分子纳米结构和界面组装。

需要注意到的是,引领这些进展的理论家都供职于学术机构或一些杰出的公司的研究实验室如贝尔和IBM(还有施乐公司,这个公司为高分子自洽场理论到达发展做出过重要贡献,华人理论学家史安昌陈征宇都曾在这个公司工作——本博客补充)。随着公司实验室就业机会的减少,供职于高分子工业界的理论学者也已经很少了,这样,学术界的理论学家身上的担子越来越重了,他们要通过提供咨询和合作研究为产业界做出自己的贡献。

企业环境

尽管我有幸早在二十世纪八十年代就职于贝尔实验室,但是直到我在1990年在加州大学圣巴巴拉分校任教之后才开始与高分子工业界有交流。由于我在大学工作,我可以自由地与多个公司共事。我发现这种交流对我非常有启发,对我的研究非常有帮助,能够为现实世界的问题提供建议或解决方法(虽然这种机会不太多)带给我巨大的满足感。

理论为理解和预测各种高分子体系的物理行为提供概念和工具。这些知识可以加速材料设计和开发,这使得雇佣理论学家的公司更有竞争力。遗憾的是,雇佣理论高分子科学的硕士和博士的公司仍然很少。部分原因是企业文化,高分子工业毕竟是由化学家和化工学家而非物理学家或材料学家建立的。不过,我的学生情况要好一些,因为他们拿的是化工学位,尽管他们的论文像物理系的学生一样是高深的理论研究方向。自然,公司还是应该以实验方向的科学家为主,毕竟,高分子材料主要先从实验中发展,能做出新东西的人要比那些建议别人做什么实验的人更有价值。

工业界的理论学家还要面临另外一个挑战,他们正被大公司的研究实验室扫地出门。贝尔实验室的模式早已被高分子工业界抛弃。当今的高分子公司研发部门的“研”部分正在削弱,研发部门的项目都有清晰的逐利目标。研究人员一般由销售部门资助,只能从事那些能立即带来利润的短期的项目研究。这样造成的结果是,进入这种环境的理论学家掌握很有意义的新技术的机会很有限,需要不停地更换研究项目,不大可能会对高分子理论的突破性发展做出很大贡献。如果某种基础理论发展是需要的并且是很重要的,工业界一般会从学术界找人合作。

对于工业界中的理论学家来说,一个好的方面是,他们面对各种各样有趣的问题,最终可以欣慰地看到他们的工作改变了周围的世界。快速发展的商业领域(包括能源、可再生资源材料、保健与医学)充满了对智力的巨大挑战,比如,我们对共轭高分子界面的分子和介观结构与它的电荷注入特性之间的关系还知之甚少,目前还没有处理这一问题的理论工具,这样的工具需要量子化学家、固体物理学家与高分子学家通力合作。尽管学术界的理论学家无疑会参与这样的工具的发展,但是需要产业界的理论学家将之用于设计和优化下一代有机电子学和光伏材料和器件。

标签: 高分子场论, 高分子理论, 塑料, 高分子

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