人造“彩虹世界”

閆景昕

它是現(xiàn)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(shí)常忽略它。是的，我們談?wù)摰氖撬芰希?dāng)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(xiàn)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(xiàn)，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(xué)家把它們叫做聚合物。其實(shí)聚合物是很好理解的：一種分子（化學(xué)家眼中的單體分子），它的首和尾都具有活性，經(jīng)過反應(yīng)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(jié)一節(jié)的車廂相連，最終成為一列火車的場(chǎng)景。

人類發(fā)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(yùn)用到很多物件當(dāng)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(fā)現(xiàn)很多種類的單體分子。對(duì)于同一種單體分子，如果“分子大鏈條”的長度不同，相應(yīng)的聚合物也會(huì)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(chǎn)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(chǎn)品，掀起“聚合物狂潮”。

不過，與科學(xué)家的未來雄心相比，這點(diǎn)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(zhì)。蛋白質(zhì)也算是一種聚合物，但它和電木等人造聚合物有一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別，組成蛋白質(zhì)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(fā)、指甲、肌腱到消化酶，所有這些無與倫比、功能多樣的蛋白質(zhì)都是21個(gè)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(nèi)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(chǎn)生自己想要的蛋白質(zhì)類型，比如指甲部位產(chǎn)生的蛋白質(zhì)是指甲，而不會(huì)是消化酶?？梢姡鞍踪|(zhì)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(fā)，人們也想利用多種單體分子來合成，說不定能產(chǎn)生獨(dú)特的新型聚合物。不過，這個(gè)過程可不是把不同單體分子放在一個(gè)袋子里那么簡(jiǎn)單，而是要進(jìn)行一大堆試驗(yàn)，因?yàn)閱误w分子們之間的連接長度和順序是隨機(jī)的，所以會(huì)出現(xiàn)很多種類的“分子大鏈條”，這就非常麻煩了，因?yàn)槟阈枰目赡軆H僅是其中一種。在過去幾年里，化學(xué)家們確實(shí)開發(fā)了能將一個(gè)單體分子連接到另一個(gè)單體分子上的方法，然而每一次連接都要非常仔細(xì)，而且單單一種聚合物可能就需要數(shù)千次的連接，非常耗時(shí)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(zhì)的精確“控制能力”值得我們借鑒。

通過不斷研究，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(gè)藍(lán)色車廂組成的“分子大鏈條”，后面接著6個(gè)紅色車廂組成的“分子大鏈條”，然后再是6個(gè)藍(lán)色車廂……不斷循環(huán)。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(zhì)的合成法則，有些人還參考了我們的細(xì)胞內(nèi)核糖體這臺(tái)靈巧的機(jī)器，因?yàn)樗趲酌雰?nèi)就能以正確的順序“縫制”出氨基酸。那么，有沒有可能發(fā)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(xué)戴維·利的想法。2013年，戴維·利的團(tuán)隊(duì)公布了第一臺(tái)人造核糖體——一種功能化的納米分子環(huán)。它能在分子軌道上移動(dòng)，沿路拾撿“建筑材料”，然后以特定順序?qū)ⅰ敖ㄖ牧稀贝谝黄?，合成新分子。但它有一個(gè)缺點(diǎn)：只能生產(chǎn)含有3個(gè)單體分子的鏈而且行動(dòng)非常緩慢。戴維·利下一步的目標(biāo)是改進(jìn)分子機(jī)器，制造出更復(fù)雜的“分子鏈條”。

2015年，美國加州大學(xué)的研究人員發(fā)明了環(huán)形的“超級(jí)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(jí)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(xué)作用促發(fā)“超級(jí)單體分子”發(fā)生反應(yīng)，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(dāng)“包裝袋”，裹住藥物，送往人體內(nèi)的特定部位。

順序和長度最重要

不過，大多數(shù)的人工方法并不完美。任何一種自然生產(chǎn)的蛋白質(zhì)，總有相同的長度、相同的序列和相同的形狀，保證了蛋白質(zhì)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(shí)在實(shí)驗(yàn)室燒瓶里“生長”，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，一些會(huì)比另外一些長或者短，顯然，按照這種情況，聚合物的產(chǎn)量就會(huì)受到限制。

研究人員想出了一個(gè)替代戰(zhàn)略，稱為迭代指數(shù)增長，即同時(shí)操作幾個(gè)反應(yīng)。例如，在一個(gè)燒瓶中，你把單體1和2連接一起，形成1-2；同時(shí)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(gè)新燒瓶中進(jìn)行反應(yīng)，制作出兩瓶1-2-3-4，然后再次在新燒瓶中減半混合反應(yīng)，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(gè)反應(yīng)的周期長度相對(duì)應(yīng)，“分子鏈條”不會(huì)出現(xiàn)長短不一的現(xiàn)象了。研究人員還開發(fā)了一種“連續(xù)反應(yīng)器”，能迅速產(chǎn)生上萬克的聚合物，非常便利。

我們還要思考一個(gè)問題：對(duì)于某一種聚合物，比如彈性材料“萊卡”，如果對(duì)其單體分子順序進(jìn)行微調(diào)整，它會(huì)發(fā)生怎樣的變化？是變得更有彈性還是變硬？或者會(huì)產(chǎn)生一種新材料？目前還沒有人能確切地解答這個(gè)問題，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中順序控制還做得不夠好。不過，研究人員發(fā)現(xiàn)即使是微小的調(diào)整，都可能導(dǎo)致材料性能發(fā)生巨大的改變。

聚合物是高科技和人類思維的結(jié)晶，已然成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠??；瘜W(xué)家正在積極醞釀聚合物的二次革命，人類的下一個(gè)世紀(jì)，或許是全新的彩虹世界。