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1、高分子科学的研究：未来十年的挑战与机遇C. K. Ober, S. Z. D. Cheng, P. T. Hammond, M. Muthukumar,| E. Reichmanis,K. L. Wooley,# and T. P. Lodge*,材料科学与工程学院，康奈尔大学，伊萨卡，纽约 14853；高分子科学系，阿克伦大学，俄亥俄州，阿克伦 44325；化学工程部，麻省理工学院，马萨诸塞州，坎布里奇 02139；高分子科学与工程系，马萨诸塞大学，麻省阿默斯特 01003；化学与生物分子系，佐治亚理工学院，佐治亚州亚特兰大市 30332；化学与放射学系，华盛顿大学，圣路易斯，密苏里 631
2、30；化学与化学工程系，明尼苏达大学，明尼苏达州，明尼阿伯里斯 55455导言高分子科学的广阔领域从未如此充满活力。在许多领域中的惊人的重要进步驱动了高分子科学的发展。这些进步包括：（一）聚合方法；（二）理论，模拟与建模；（三）对新的物理现象的了解认识；（四）表征技术的进步；（五）利用自组装和生物手段生产复杂的多功能结构这个领域研究活动继续扩大并吸纳许多其他学科的从业人员。与此同时，社会所面临全球性的挑战。这个挑战正在进入其明确的焦点对广大新的和可持续的能源来源的需要；对洁净空气，水和食品供应的需求；对补充，再利用，并取代以石油为原料的高分子材料需要；对加强双方在疗效和负担能力的卫生保健模式的
3、要求；提高安全和防卫的技术。在所有这些领域，新的高分子材料，新工艺生产的聚合物和聚合物复合材料将发挥关键的作用。事实上，当今聚合物无疑是最重要的一类材料；它们的多重可调属性使得它们扩大使用最先进的技术平台。认识到这些巨大的挑战和相应的机遇，美国国家科学基金会2007年8月在美国国家科学基金会总部通过聚合物计划司的材料研究所主办为期三天的研讨会。这次专题研讨会的协办方有空军科研办公室，陆军研究办公室，能源部（基础能源科学），美国国家航空航天局，美国国立卫生研究院（美国国立生物医学成像和生物工程），国家标准与技术研究所和美国海军研办公室。在Chris Ober的主持下，并与组织委员会包括Steph
4、en Cheng，Paula Hammond，M. Muthukumar， Elsa Reichmanis和 Karen Wooley，超过50人（见附录）进行了激励的讨论，交换了意见，并编写了一份书面报告，这份报告详尽的说明大家对未来十年集体预见的挑战，目标和战略。这份完整的120页Interdisciplinary Globally-Leading Polymer Science & Engineering（跨学科的全球领先的聚合物科学与工程）报告可以通过网络获取（获取网址：http:/www.nsf.gov/mps/dmr/reports.jsp），我们强烈鼓励读者利用这一汇集集体智慧的
5、资源。(硬拷的这份报告可以通过向Chris Ober的邮箱cko3cornell.edu发送请求获取)。这篇透视的目的不是取代或重复报告的全文，而是对可能的更广泛的受众突出它的存在，并再次强调的一些显着的结论。我们在这的关注点是专门的研究课题和摆在我们面前的令人振奋的机遇。报告本身也在聚合物领域的教育，宣传，扩大参与并保持竞争力方面详述了非常有益的建议；我们在这里不解决这些问题。我们也希望强调在这篇透视中涉及的各点。这些点代表了创作者们的观点，正如从报告全文所获悉的。不能够因为他是否有资金支持而把它视为蓝图，也不能够由于忽略了某些特定的议题就意味着经过深思熟虑的判断是不受人关注的或不重要的。社
6、会挑战和高分子科学的作用该小组确定了对社会需求带来巨大的技术挑战，并且聚合物科学必须发挥关键作用的五个广泛领域；能源，可持续发展，卫生保健，信息安全，国家防卫。事实上，超过其他任何一类材料，聚合物有能力服务于许多不同的领域，从重大的结构性组成部分（例如，即将投入使用的波音787“梦想飞机”所用的材料80为碳纤维增强热固性树脂）到精细的高附加值材料（例如，光刻，药物释放）。这种多功能性的应用直接源于聚合物多功能的物理特性。这反过来也集体的进步在高分子的合成与设计，在分子结构和材料的反应关系方面的认识，和有效地处理步骤。为了满足这些不同的社会需求，先进的高分子材料的使用将扩展到更多以传统材料为主的
7、领域。这种趋势将持续，快速的发展，这是聚合物科学可以提供的。在能源领域，聚合物将至少有三大职能：作为组件在新能源发电和存储系统，作为重量轻结构材料，以减少燃料消耗，特别是在交通运输方面和作为分离技术更有效的平台。在第一大职能中，光伏薄膜、燃料电池膜、电池隔膜这所有的领域都具有浓厚的兴趣，尤其是当便携性成为重要的时；然而，大量材料的挑战有待克服。在第二个角色大职能中，聚合物在减少飞机，火车，汽车的质量方面仍然存在着巨大的机会。在第三大职能中，工业规模液体和气体的分离通常是能源密集型的，新一代聚合物膜应能大量节省能源的消耗。在发达国家，一次性塑料包装是无处不在的，它完成了许多重要的职能，同时也是浪
8、费和污染的典型例子。环保聚合物行业不仅将提供可生物降解的材料，而是一整套全面的高分子材料为基础的可再生原料。包括单体前缩减生物质（如乳酸）和聚合物和聚合物基复合材料直接源于丰富的生物材料，如纤维素，淀粉，木质素和几丁质。即使石油为基础的聚合物，这种目前和不久的将来高分子材料的主体在合成与加工过程中更加环保。例如消除挥发性有机溶剂，催化剂的回收及循环再造，以更高活性的催化剂，并通过绿色路线纯化单体。社会的挑战和聚合物科学的角色该专家小组确定了五个广泛领域:能源.可持续发展.卫生保健.安全和情报,国防和保护.在其中社会需求展示了巨大的技术挑战,并且聚合物科学必须在其中发挥至关重要的作用。事实上，聚
9、合物比其他任何类别的材料更有能力应用于许多不同的领域，从主要的结构性组成（例如：即将使用的波音787百分之八十用的是碳纤维增强的热固性材料），到在克规模上的高增值配料（例如：光刻技术，药物传递）。这种在应用上的多样性直接源于其物理性能的多样性，而这反过来又反映了在分子合成和设计上，在分子结构和材料响应的关系上，并且在有效的处理手段上的整体的先进性。为了满足各种不同的社会需求，先进聚合物材料的使用将必须延伸到更多传统材料占主导地位的领域;因此，成功需要继续，聚合物科学能带来快速的发展。 在能源领域，聚合物将至少有三个广泛的职能：作为新能源生产和储存体系的组成部分，作为减少燃料消耗的轻便结构材料，
10、特别是在交通运输领域，并且为分离技术提供了更有效平台。第一个作用，光电，燃料电池膜和蓄电池隔板是吸引人们有浓厚兴趣研究的所有领域。特别当轻便性很重要时。然而，大量材料的挑战仍然有待克服。第二，在减少飞机，火车和汽车的质量方面仍有巨大的潜力。第三，液体和气体工业规模上的分离往往是能源极其紧张的，新一代聚合物膜应能带来大量的节约。一次性的塑料包装在发展中国家是十分普遍的，完成了许多重要的功能，然而，也是代表了废物和污染的典型的例子。一个更绿色环保的聚合物工业，不仅提供能生物降解的材料，而且是广泛的一套亦可更新的原料为基础的聚合物材料。例如包括，从生物质中制备出来的单体（如乳酸）与聚合物，从纤维素，
11、淀粉，木质和壳多糖等丰富的生物材料中衍生出来的聚合物复合材料。甚至现在和不远的将来大分子材料的支柱以石油为基础的聚合物，从其合成和处理加工方面能做到更环保，例如，通过除去易挥发的有机溶剂，通过在利用和修复催化剂，通过更火博得催化剂，还可以通过更绿色环保的路线提取单体。聚合物已经在许多生物医药的应用上起到了重要作用，包括药物运输体系（例如，有涂层的支撑管，经皮肤吸收的膏药，聚合物胶束和微小的粒子），人造替代物（例如，臂，心脏）和生物组织工程。然而，更多种多样和更复杂的应用的潜力是很大的。特别的，你可以想象超出现在的例子，设计与生物有机体相容性不好的聚合物复合材料，使之有充足的时间间隔去发挥其功能
12、，设计使聚合物有多重功能性，在长度和时间规模上分散出一个层次，使之与细胞和细胞状控制系统计及相互作用。尽管现在的信息时代已经带来了许多便利，同时也对个体和社会的安全造成了新的威胁。原则上，聚合物能生产低能耗和像传感器和识别系统这样轻便的产品。功能性应用需要在合成、特性和已经合并成混合体系的光电聚合物的基本理解上创新。信息的搜集、储存、查证和显示等功能是这些系统必须完成的。一个相关的挑战是保证安全和支持净水的分离。在检查毒素，净化和储存方面，聚合物将起到战略性的作用。先进聚合物在防卫上的应用也很多，从复杂的、数百万美元的交通工具和飞行器上的需求到应用于士兵个人的保护性装置。跨学科的聚合物科学过去
13、60年来聚合物科学已经达到了一定成熟的水平。例如，我们已经对一种溶液或者单分散的、灵活的、不带电的线性均聚物熔融体的链行为有了较深的理解。然而，这些知识并不意味着在聚合物科学领域中智力挑战的结束，而恰恰相反；我们对更复杂的体系越来越感兴趣，包括聚合物与聚合物、聚合物与微粒、嵌段聚合物、支化聚合物、带电体系和杆状分子的混合体系，而这些中只有一些有命名。整个社会过去集体的成就将使未来关于大分子的问题和解决方法的进步跨越更大的宽度。这个宽度将不可避免的加强各学科间的联系的重要性。因此，在聚合物科学自身这个领域内，我们需要追求传统的不同部分的更大的协作，如设计与合成，特征与性能，加工过程，理论与模型，
14、或许更重要的是聚合物科学与化学、化工、材料科学、物理、生物、生物医学、计算机科学与环境科学之间的协作有极好的前途。新分子和新材料的合成过去十年，我们对控制分子特征一制备聚合物的能力有了巨大的进步，这些分子特征有分支和结构、链长度分布、立体规整性、共聚物组成、前端聚合物顺序与链长、和功能基团的准确位置。在许多情况下，更新的计划与实现和按比例增加直接相关，甚至会产生出更先进的材料。然而，这种突然的进步仅仅是刚开始，接着会出现更多令人兴奋的发展。为了应对特制材料的巨大挑战，专家小组共同确定了未来十年发展的八个目标。这八个目标的简单总结如下： 合成的基功能却度不断增加。既包括产率的提高，原子效应合成和
15、化学间正交协作。因此，在前一步中安装的特殊功能性不会通过丰富的化学转变而失去功能性。多相性和多功能度的精确控制。因此，含多种单体和特定功能或响应基团的聚合物可可靠的制备。这个目标和先前的目标在催化剂设计上是振奋人心的挑战。 树枝状的简单和稳定结构。星形，梳形，环状，双支化，树枝状的和其他非线性结构是许多研究的焦点，但是在许多情况下，复杂的合成包括很多的步骤，随着简单合成路线的发展，这些吸引人的大分子的应用将会更便利，而这些简单的合成可以组成大规模的合成。自我复制/纠错模版。这代表了其中一种主题，包括努力学习聚合物合成和模仿自然体系，高度复杂的大分子像蛋白质是一步一步的合成的，然而却是完美的。先
16、进的分子识别和非共价键的集合。超分子间的相互作用，例如共价分子间的相互作用，已经用于生产各种各样的适应性的、可自我恢复的和刺激响应体系，但是这个机会的范围是非常大的，氢键已经是一种很受欢迎的超分子设计元素，但是，分子识别、离子和电子的相互作用、金属配体的配位作用，和疏水/亲水的结构都是合成共价聚合物结构和材料的潜在的丰富的路线。复合材料。聚合物和其他材料的混合体系越来越表现出其优越的性能，例如有机的余无几的添加物，金属与金属簇，纳米离子，纳米纤维和矿物质板。然而，一般地，目前大设计不能明显的控制聚合物组分与配合剂间的相互作用，也有需要对纳米级组分设计的更完美的，因此，在单个合成中聚合物组分和非聚合物组分都被看作试剂。改进的共轭聚合物。共轭聚合物，或者导电的，半导体的，发光的，吸光的灯广泛的聚合物在主体的先进的应用方面是至关重要的。这些材料往往是很难制备的，特别是通过可控的聚合反应路线，例如嵌段聚合物。更进一步，共轭常常伴随着构想稳定性，而这又减
