人造“彩虹世界”

閆景昕

它是現代生活不可分割的一部分，我們用它來包裝食物、制造玩具、制造汽車，等等。它是如此普遍，我們卻時常忽略它。是的，我們談論的是塑料，當然也是一類材料——聚合物，它塑造了過去100來年形形色色、多姿多彩的世界。

聚合物大世界

在塑料出現之前，人類生活中的日常物件通常直接利用天然的材料制造工具，比如將木材變成木桶、木梳子。但是，隨著塑料的出現，各種各樣的塑料制品使人類生活變得更加豐富多彩，充滿樂趣。

我們稱之為塑料的東西，化學家把它們叫做聚合物。其實聚合物是很好理解的：一種分子（化學家眼中的單體分子），它的首和尾都具有活性，經過反應后首尾可以相互連接成串，很多分子連成一大串后形成了“分子大鏈條”，而許許多多的“分子大鏈條”加起來就是聚合物了（見圖）。你可以想象將一節一節的車廂相連，最終成為一列火車的場景。

人類發明的第一種聚合物叫“電木”（貝克萊特酚醛樹脂），它曾被人們封為“神奇材料”，于1909年獲得專利，它的單體分子是甲醛。電木在加熱的條件下可以形成各種形狀，冷卻之后又不容易變形。因此，人們將它運用到很多物件當中，比如電視、珠寶上都有電木的身影。

除了甲醛，后來人們又發現很多種類的單體分子。對于同一種單體分子，如果“分子大鏈條”的長度不同，相應的聚合物也會不同。最初，人們只制備了由同一種單體分子合成的聚合物，如今，種類繁多的聚合物生產出了尼龍襯衫、聚乙烯塑料袋、膨體聚四氟乙烯防水外套、凱夫拉防彈衣等等產品，掀起“聚合物狂潮”。

不過，與科學家的未來雄心相比，這點狂潮根本不算什么。

合成“分子大鏈條”

自然界有一種非常著名的單體分子——氨基酸，眾所周知，它們能制造蛋白質。蛋白質也算是一種聚合物，但它和電木等人造聚合物有一個關鍵的區別，組成蛋白質所用到的單體不只有一種，而是很多種，或者說很多氨基酸。從頭發、指甲、肌腱到消化酶，所有這些無與倫比、功能多樣的蛋白質都是21個氨基酸中的某些串成的“氨基酸分子大鏈條”。

要注意的是，“氨基酸分子大鏈條”不僅長度不同，連內部的氨基酸小分子的排列順序也不一樣。但是生物體卻能精確地控制它們（長度和排序），產生自己想要的蛋白質類型，比如指甲部位產生的蛋白質是指甲，而不會是消化酶?？梢姡鞍踪|這種天然聚合物背后，有著杰出的“控制能力”。

受到氨基酸的啟發，人們也想利用多種單體分子來合成，說不定能產生獨特的新型聚合物。不過，這個過程可不是把不同單體分子放在一個袋子里那么簡單，而是要進行一大堆試驗，因為單體分子們之間的連接長度和順序是隨機的，所以會出現很多種類的“分子大鏈條”，這就非常麻煩了，因為你需要的可能僅僅是其中一種。在過去幾年里，化學家們確實開發了能將一個單體分子連接到另一個單體分子上的方法，然而每一次連接都要非常仔細，而且單單一種聚合物可能就需要數千次的連接，非常耗時耗力。

那么，如何利用多種單體分子快速合成人們需要的某種聚合物呢？氨基酸合成蛋白質的精確“控制能力”值得我們借鑒。

通過不斷研究，化學家發現了其中一種聚合物——“嵌段共聚物”的合成過程最接近氨基酸-蛋白質自然控制法。它是兩種或兩種以上不同的“分子大鏈條”連在一起制備而成的，你可以想象成一列組合型火車，帶頭的是6個藍色車廂組成的“分子大鏈條”，后面接著6個紅色車廂組成的“分子大鏈條”，然后再是6個藍色車廂……不斷循環。具有彈性“萊卡”聚合物就是其中一種“嵌段共聚物”，人們用這種有彈性的人造材料來制作緊身衣。

思維突破帶來新方法

除了參照蛋白質的合成法則，有些人還參考了我們的細胞內核糖體這臺靈巧的機器，因為它在幾秒內就能以正確的順序“縫制”出氨基酸。那么，有沒有可能發明出一種人造核糖體來合成聚合物呢？

這是英國曼徹斯特大學戴維·利的想法。2013年，戴維·利的團隊公布了第一臺人造核糖體——一種功能化的納米分子環。它能在分子軌道上移動，沿路拾撿“建筑材料”，然后以特定順序將“建筑材料”串在一起，合成新分子。但它有一個缺點：只能生產含有3個單體分子的鏈而且行動非常緩慢。戴維·利下一步的目標是改進分子機器，制造出更復雜的“分子鏈條”。

2015年，美國加州大學的研究人員發明了環形的“超級單體分子”，它本身就含有很多單體分子了，也就是說聚合物的基本單位改變了，但這種“超級單體分子”之間卻能更容易連接到一起。研究人員利用外部的化學作用促發“超級單體分子”發生反應，做出一大堆有一定相同序列的新聚合物，包括可生物降解的聚合物，這種可降解聚合物能充當“包裝袋”，裹住藥物，送往人體內的特定部位。

順序和長度最重要

不過，大多數的人工方法并不完美。任何一種自然生產的蛋白質，總有相同的長度、相同的序列和相同的形狀，保證了蛋白質具有正常功能。這些人造聚合物鏈雖然具有確定的順序，卻沒有確定的長度。許多鏈同時在實驗室燒瓶里“生長”，反應結束時，一些會比另外一些長或者短，顯然，按照這種情況，聚合物的產量就會受到限制。

研究人員想出了一個替代戰略，稱為迭代指數增長，即同時操作幾個反應。例如，在一個燒瓶中，你把單體1和2連接一起，形成1-2；同時另一燒瓶中，你連接了單體3和4，形成3-4；接著將每一燒瓶的一半分別倒入兩個新燒瓶中進行反應，制作出兩瓶1-2-3-4，然后再次在新燒瓶中減半混合反應，就能制作出1-2-3-4-1-2-3-4。這樣的話，“分子鏈條”就和每個反應的周期長度相對應，“分子鏈條”不會出現長短不一的現象了。研究人員還開發了一種“連續反應器”，能迅速產生上萬克的聚合物，非常便利。

我們還要思考一個問題：對于某一種聚合物，比如彈性材料“萊卡”，如果對其單體分子順序進行微調整，它會發生怎樣的變化？是變得更有彈性還是變硬？或者會產生一種新材料？目前還沒有人能確切地解答這個問題，因為實驗中順序控制還做得不夠好。不過，研究人員發現即使是微小的調整，都可能導致材料性能發生巨大的改變。

聚合物是高科技和人類思維的結晶，已然成為我們日常生活不可或缺的一部分?；瘜W家正在積極醞釀聚合物的二次革命，人類的下一個世紀，或許是全新的彩虹世界。