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      8. 高分子科學100年!深切緬懷先驅赫爾曼·施陶丁格(Hermann Staudinger)先生

        2020-09-13 中國包裝材料網

        簡介:  來源:AdvancedScienceNews  100年前的6月,在化學和材料領域出現了革命性的變化。1920年6月12日,在瑞士蘇黎世聯邦理工學院工作的一

          來源:AdvancedScienceNews

          100年前的6月,在化學和材料領域出現了革命性的變化。1920年6月12日,在瑞士蘇黎世聯邦理工學院工作的一名有機化學家,發表了一篇永久改變人類對化學的理解并對當今繁盛的材料合成技術產生了決定性影響的論文。人類因此掌握了一種自然界中不存在的全新化學技術。它不可逆轉地改變了建筑、制造、包裝、生物、醫藥等眾多領域。

          第一次提出小分子能通過共價鍵相連形成如今稱為大分子或高分子的長鏈

          這名有機化學家是赫爾曼·施陶丁格。他的論文ÜberPolymerisation(《論聚合》)。赫爾曼在1936年評論高分子時說:“在不久的將來,一種利用人工物質合成人造纖維的方法將不再是天方夜譚,因為天然纖維的力學性能和彈性是由他們的結構——眾多長鏈狀分子賦予的。”赫爾曼·施陶丁格是誰?為什么他關于大分子看似簡單的描述標志著可能是20世紀最偉大的科學發現之一?

          今天我們將回顧施陶丁格的履歷和他的工作,講述其對于高分子科學100周年的今天的影響,以及高分子科學的當下和未來。對于微塑料和塑料污染的關注已經在高分子科學領域催生了新的學科分支。這些分支學科通過吸取過去的教訓以更好地應對本世紀的挑戰。

          開端

          1881年,赫爾曼·施陶丁格出生于德國Worms。彼時德國這個年輕的國家正經歷快速工業化。1871年統一后,德國即將成為全世界鋼鐵主要出口國并引領化工領域。施陶丁格起初對植物學感興趣,但受國家新興工業的影響,他轉而研讀化學,于1903年在哈勒大學(Universityof Halle)獲得博士學位。

          1920年前施陶丁格便展現出了一位優秀有機化學家的特質。1905年,24歲的施陶丁格發現了如今已被全世界化學家熟知的烯酮化合物。之后數年,在卡爾斯魯厄大學(TechnicalUniversity of Karlsruhe)做教授期間,他又針對德國在一戰間物資緊縮的問題研發出了胡椒和咖啡的合成替代物。

          從這件事可以一瞥施陶丁格關于科學及其與社會關系的觀點。他認為科學應為公眾謀求福祉——小到在困難時期研發味道類同咖啡的替代品。這樣的觀點使得他和同時代的人針鋒相對。施陶丁格在卡爾斯魯厄的同事,弗利茨·哈伯(FritzHarber),積極支持德軍使用化學武器。這在施陶丁格的眼中簡直是十惡不赦。施陶丁格公開反對哈伯,并在1919年用法語在紅十字會的一本期刊上發文表達對技術與戰爭的憂慮。

          隨著戰爭恐怖的消退,施陶丁格和許多人一樣終于可以放松下來。彼時世界也正樂觀地朝著二十世紀二十年代邁進。然而施陶丁格并不知道他一直研究的高分子量化合物將深遠地影響人們長久期盼的現代化新世界。

          《論聚合》

          1920年以前,化學界認為那些具有極高分子量的化合物無非是小分子聚集成的膠體顆粒罷了。海因里希·奧托·威蘭(HeinrichOtto Wieland)和埃米爾·費歇爾(EmilFischer,費歇爾投影式以他命名)支持該觀點。后者在1902年獲得過諾貝爾化學獎(威蘭將在1927年獲得此獎)。施陶丁格并不贊成他們地想法。施陶丁格的解釋如今已成為一項基本化學原理:他認為橡膠、纖維素和蛋白質實質上是由一類小分子量、重復、以共價鍵相連的化學單元構成。換言之,它們是高分子材料。

          雖然施陶丁格在當時是一名備受同事尊敬的杰出科學家,但他對主流科學界思想的公開異議,特別是反對諾貝爾獎得主的觀點,還是引起了軒然大波。1920年《論聚合》發表后,施陶丁格有關高分子量化合物的解釋遭到了質疑:“親愛的同事,放棄你的大分子想法吧,分子量超過5000的有機化合物是不存在的。純化那些如橡膠的物質你便會發現,它們將結晶為低分子量的物質。”

          然而施陶丁格并未動搖。他提出有關高分子的第一個解釋后,于1922年和他的同事J. 弗里奇(J. Fritschi)共同發表了首個天然橡膠中存在高分子長鏈的直接證據。在這篇文章中,施陶丁格向世界提出了“大分子(macromolecule)”概念。他在1924年解釋道:“對于由相同的粒子中各原子以共價鍵連接組成的物質,我們為更好地區分和其他膠體的區別,稱之為大分子。”

          到20世紀20年代末,越來越多的研究者找到了高分子存在的證據,從而證實了施陶丁格的觀點。施陶丁格的事業也隨之飛黃騰達。1926年,他開始在弗萊堡大學(Universityof Freiburg)工作直到事業結束。1927年,他與拉脫維亞生物學家和植物學家瑪格伽·弗伊塔(MadgaVoita)結婚,二者將攜手研究大分子在生物過程中的角色。

          高分子化學席卷世界

          到1930年,建立在施陶丁格工作之上的高分子研究興盛起來。研究者們通過高分子的概念能夠更好地制備具有優良性質的高分子材料。這場熱潮促進了1936年世界上第一種成功商業化的合成塑料——尼龍的出現。尼龍的發明者是當時在美國特拉華州杜邦實驗室工作的杰出化學家華倫斯·卡羅瑟斯(WallaceCarothers)。與其他化學品公司一樣,杜邦的這項發明得益于施陶丁格有關高分子的研究。1938年制成了第一把尼龍刷毛的牙刷。1939年,尼龍襪出現在紐約世博會“明日世界”展區。到1940年,在杜邦公司略有夸張的廣告語“如鋼鐵般堅韌,如蛛網般精細”的推廣下,尼龍襪已成功商業化并立即成為商業成功案例。毫無疑問,當年大眾所聽到的合成高分子或塑料已然成為奇跡材料。

          然而高分子在經歷了它最初的輝煌后很快在二十世紀三十年代黯淡了下來。第二次世界大戰即將到來的憂慮使得人們對于高分子的興趣由社會民用轉向了軍事用途。施陶丁格無疑對此憂心忡忡,而且當時已掌握國家權力的納粹黨注意到了他的憂慮。在1930年間,施陶丁格被嚴密看管,禁止離開德國并在1934年遭到蓋世太保(即國家秘密警察)的審問。所幸,施陶丁格平靜不爭的性格使他沒有遭到過多的迫害。他得以在弗萊堡大學繼續任職。1940年,他在弗萊堡建立了歐洲第一所致力于高分子研究的科研機構。

          施陶丁格的傳奇

          二戰后,施陶丁格建立的研究所已在盟軍的轟炸中夷為平地,但他的工作成果卻并未消失。

          研究所的工作已發表在1939年由施陶丁格創立并任主編的Journal fürmakromolekulare(《大分子化學》)上。該期刊名字幾經變動,最終成為現在涵蓋生物科學、理論、材料、工程相關的大分子科學期刊MacromolecularChemistry and Physics(《大分子化學和物理》)。

          (2020年Macromolecular Chemistry and Physics期刊封面。施陶丁格的名字仍列在期刊創立者的名單中。)

          高分子制造在戰后重新回到和平、民用方向上。1950年全球塑料年產量已達150萬噸,并將繼續攀升。1953年,施陶丁格以其“開創大分子化學領域”的貢獻獲得諾貝爾化學獎。他在獲獎致辭中將妻子列為合作者。誠然,在戰爭歲月,施陶丁格的許多手稿都是由他的妻子編輯并發表的。

          1965年施陶丁格逝世后,他的妻子繼續發表丈夫的文稿并成為國際大學婦女聯合會主席。她致力于宣傳女性在科研界中的貢獻,并成為聯合國教科文組織德國委員會主席以更好地開展工作。1996年,為表彰她的貢獻,拉脫維亞科學院授予其大勛章。

          高分子,路在何方?

          1920年之后高分子發展迅速。從1950年起,塑料(當時塑料和高分子還是同義詞)的全球年產量已逾150萬噸。2019年,這一數字已突破3億5千萬噸。

          然而當年的奇跡材料如今已成為亙古未有的問題材料。微塑料的出現凸顯了我們對環境保護的缺失。在南極海冰這種原始之地已發現了微塑料顆粒。同時,塑料的生產涉及原油開采和燃燒,加劇了地球氣候變化。高分子難以斷裂的共價鍵導致流散到自然界中的塑料可能需要數百年(如果不是數千年的話)才能降解。除此之外,肉眼可見的塑料正被大量排入海洋,威脅著海洋生物的生存。這些因素使得科學家們將當今稱為“人類世”(anthropocene)——我們的一舉一動都對地球環境產生不可磨滅的深遠影響。

          我們或許可以斷定,施陶丁格對于如今隨意使用塑料的行為,特別是塑料對于社會、環境的負面影響,是難以接受的。然而根據施陶丁格的科學為人類謀福利的思想,我們不應以塑料污染問題為借口而拋棄高分子科學。

          高分子科學仍可為我們提供幫助。新生代高分子科學家們正研發新型可降解、對環境友好的高分子材料。我們已擁有可用于吸收泄漏在海面上石油的植物油基高分子材料,并且已培育出可降解塑料的細菌。

          今年,施陶丁格創立的雜志Macromolecular Chemistry and Physics將施陶丁格傳奇的“火炬”交接到了21世紀化學家們手中。在Polymer for the Future特刊中,德國杜賽爾多夫大學Laura Hartmann、奧地利維也納技術大學Miriam M.Unterlass和期刊副主編Mara Saffilani就現代高分子科學的新發展給出了更多見解。

          自從它們革命性的出現以來,高分子隨著污染和過度使用而聲名狼藉。但無論好壞,高分子依舊會存在下去。如果我們心懷施陶丁格的信念——謀取當下社會的福祉,撫平過去留下的創傷,維護未來希望的美好——那高分子的明天仍將熠熠生輝。

          或許在2120年,那時的科學家們會感激當下我們為研發環保塑料所付出的種種努力。

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