张希院士：高分子百年新起点！纪念斯陶丁格提出高分子100年

为了纪念高分子百年历史,《高分子学报》特出版此专辑,包括6篇综述、1篇专论和3篇论文,涉及合成高分子、高分子纤维、天然高分子材料、生物医用高分子材料、高分子物理等内容,它从一个侧面反映了中国高分子界的贡献及其对未来高分子科学发展的思考。

1920年德国化学家Hermann Staudinger发表《论聚合》一文,认为橡胶、纤维、淀粉和蛋白质等是由成千上万个碳原子像链条那样联合起来的大分子(Macromolecules)。尽管之前人们已经发现天然橡胶与硫磺混合之后可以制成汽车轮胎,但并不知道其具有良好弹性的原因。Hermann Staudinger的这篇经典之作的发表标志着高分子化学的诞生,至今高分子化学作为一门独立的学科已经走过了整整100年的发展历程。

在Hermann Staudinger提出基于共价键的大分子链式结构之后,遭到了当时许多人的反对,有人认为分子量高于5000的分子根本不存在,有人认为所谓的大分子就是基于非共价键形成的胶体状聚集体。但Hermann Staudinger坚持自己的学术观点,不断发展表征方法,证实大分子链结构的存在。有趣的是,随着超分子化学的发展,研究表明基于非共价键形成的胶体状聚集体也可以具有大分子链式结构,形成了超分子聚合物化学的新方向。

Hermann Staudinger因为在大分子化学方面的开创性贡献,于1953年荣获诺贝尔化学奖,是第一位获得诺贝尔奖的高分子人。在庆祝高分子化学百年之际,我们也不会忘记同时代做出不可磨灭贡献的其他科学家,如Hermann F. Mark于1926年在德国巴斯夫公司成立50余人的研究组,获得了许多合成高分子、高分子加工与应用的专利;1935年美国杜邦Wallace H. Carothers合成了聚酰胺纤维(尼龙66)等。一代又一代科学家的接续努力,奠定了高分子科学的基础,使得材料进入了塑料时代。

实际上Hermann Staudinger原本的兴趣是植物学,他接受了作为教师的父亲的建议:先学习化学,将来能更好地理解植物问题。实际上,他从大分子研究伊始,研究对象就包括合成高分子、天然大分子和生物大分子,并最早认识到合成高分子和生物高分子都是基于大量的小分子通过共价键连接而成,合成高分子是理解生物高分子和复杂生物体系的模型体系。Hermann Staudinger的关门弟子,也是我的德国导师Helmut Ringsdorf教授,曾评论道:化学是他的生命,生物是他的梦想。他一生致力于建立生命科学与材料科学的桥梁,是他没有完成的梦想。这也可能是他坚持Macromolecule而不喜欢Polymer称谓的原因之一。

回顾高分子百年的发展历程,研究内容无论在深度还是广度上均获得了飞速的发展。在学科领域上,由当初的仅仅是高分子化学研究,逐步发展为包括高分子化学、高分子物理、高分子工程等分支的学科体系;在学术内涵上,由大分子链结构的研究拓展到聚集态结构及其自组装结构的研究,由合成高分子拓展到生物大分子,由基于共价键的传统合成拓展到基于非共价键的超分子合成,由一维高分子发展到二维和三维高分子等;在社会影响上,由当初的仅是对新奇化合物的学术兴趣,发展到当今成为高分子产业的理论基础,并推动着高分子新产业的形成及发展,其研究成果渗透到了国民经济各个领域,如医疗卫生、航空航天、国防、工农业生产及日常生活等方面,构成了人类文明的重要组成部分。

实际上,在提出链状大分子概念之前,Hermann Staudinger已经在有机化学领域颇有建树,以他名字命名的反应影响延续至今。为什么他会大胆走进了他不熟悉的新领域呢?除了与他具有勇于跳出藩篱、跨越边界的精神之外,也与当时欧洲所处的时代有关,如缺乏制备纺织品的原料,纤维素化学本质引起了广泛争论,急需认识天然橡胶结构与功能之间的关系等。社会发展的迫切需求是科技进步的动力,而科学研究的重大突破又能为社会发展开辟新的领域、形成新的产业。

站在新百年的起点,高分子科学仍是我们可以充分发挥想象力的学科方向,还有许多重大的科学问题尚待解决。例如,如何向DNA那样精准地控制合成高分子的序列结构;如何根据功能需求设计和制备高分子材料;如何满足绿色和可持续发展社会新要求;如何实现Hermann Staudinger的梦想,用高分子架起生命科学与材料科学之间的桥梁;如何开创高分子研究新的范式,等等。

为了纪念高分子百年历史,《高分子学报》特出版此专辑,包括6篇综述、1篇专论和3篇论文,涉及合成高分子、高分子纤维、天然高分子材料、生物医用高分子材料、高分子物理等内容,它从一个侧面反映了中国高分子界的贡献及其对未来高分子科学发展的思考。由衷地感谢为此专辑出版做出贡献的作者、审稿专家、编辑和编辑部的工作人员。

参考文献:

纪念斯陶丁格高分子百年专辑前言. 张希. 高分子学报, 2020, 51(1)

http://www.gfzxb.org/fileGFZXB/journal/article/gfzxb/newcreate/qianyan.pdf

赫尔曼•施陶丁格(Hermann Staudinger,1881年3月23日-1965年9月8日),德国化学家。生于德国沃尔姆斯,一生主要从事高分子化学研究,率先提出高分子线链学说。因为其在大分子化学领域做出的开拓性贡献,被授予1953年的诺贝尔化学奖。他的名言是:我站在科学道路上,我别无选择。

高分子材料、金属材料和无机非金属材料是当今材料世界的三大支柱,它们以各自的特点满足着人类多方面的需要。现如今,高分子材料广泛应用在生活中的各个领域,深受人们喜爱。说起高分子材料的开创性研究,不得不说起德国化学家赫尔曼•施陶丁格。

1881年3月23日,施陶丁格出生在德国,父亲是一名新康德派的哲学家,他自小便受到各种哲学思想的熏陶,逐渐养成了善于思考和推理,能够摆脱传统观念的束缚,坚持自己主见的良好习惯。

早在19世纪,人们已经逐步获得了高分子材料的相关产品,但对高分子化合物的组成、结构及合成方法等基础理论认识很少。胶体化学的奠基人,英国化学家格雷阿姆认为高分子是由一些小的结晶分子所形成。他从高分子溶液具有胶体性质入手,提出了高分子的胶体理论。该理论在一定程度上解释了某些高分子的特性,得到许多化学家的支持,但是施陶丁格等少数几个人对此表示怀疑。

1920年,施陶丁格经过深入的研究后发表了“论聚合”的论文,提出高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合),通过化学键连接在一起的大分子化合物。1922年,他又提出了高分子是由长链大分子构成的观点。

施陶丁格的观点遭到胶体论者的激烈反对,有的学者劝告他说:“离开大分子这个概念吧!根本不可能有大分子那样的东西。”但是施陶丁格没有退却,他更认真地开展有关课题的深入研究,坚信自己的理论是正确的。为此他先后在召开的德国医学会议和德国化学会议上详细地介绍了自己的大分子理论,与胶体论者展开了面对面的辩论。

辩论主要围绕着两个问题:第一个问题是施陶丁格认为测定高分子溶液的粘度可以换算出其分子量,胶体论者则认为粘度和分子量没有直接的联系。第二个问题是高分子结构中晶胞与其分子的关系。胶体论者认为一个晶胞就是一个分子,晶胞通过晶格力相互缔合,形成高分子。施陶丁格认为晶胞大小与高分子本身大小无关,一个高分子可以穿过许多晶胞。对于第一个问题,由于当时缺乏必要的实验证明,施陶丁格显得较被动,处于劣势。不过施陶丁格没有却步,而是通过反复的研究,终于在粘度和分子量之间建立了定量关系式,即著名的施陶丁格方程。而第二个问题,对同一实验事实有不同解释,双方都不能拿出理论根据。

科学的裁判是用实验来证实,当双方观点争执不下时,瑞典化学家斯维德贝格等人设计出一种超离心机,用它测量出蛋白质的分子量,成功证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。这一事实成为大分子理论的直接证据。当许多实验逐渐证明施陶丁格的理论更符合事实时,支持施陶了格的队伍也随之壮大,到1926年的化学会上除一人持保留态度外,大分子的概念已得到与会者的一致公认。

正是由于施陶丁格的出色工作和坚忍不拔的科学精神,才得以创建高分子科学这一新兴学科。随着塑料、合成纤维、合成橡胶三大合成材料的诞生,科学技术成功解决了地球自然资源不敷人类之需的难题。

张希院士,高分子化学家,清华大学化学系教授。1965年12月生于辽宁本溪,毕业于吉林大学化学系获博士学位,2007年当选中国科学院院士,现任清华大学学术委员会主任,兼任国家自然科学基金委员会化学学部主任,中国化学学会副理事长,环太平洋高分子联合会主席,《高分子学报》主编,《科学通报》执行副主编等。

张希院士致力于将高分子化学与超分子化学相结合,在超分子体系的构筑、调控与功能方面开展了系统深入的研究,并取得了一些在国内外学术界有影响的研究成果,为制备新型功能超分子材料和器件提供了新的途径;建立了基于主体增强分子间相互作用的超分子聚合新方法,可用于室温和水溶液中组装高分子量的超分子聚合物,为高分子科学带来了新方向;制备了一系列含硒两亲性嵌段高分子,其具有氧化、还原和射线响应等特点,提供了一类新型生物医用材料;建立和发展了基于不同分子间相互作用的界面分子组装方法,并用以制备有机薄膜材料和功能表面;基于单分子力谱技术,研究超分子体系的分子内和分子间相互作用,为从单分子水平认识分子结构、超分子结构及组装驱动力提供了实验依据。已在国内外学术刊物上发表论文326篇,在国际性学术会议上做特邀报告和大会报告150多次。先后获得奖励和荣誉:入选教育部跨世纪优秀人才培养计划(1994),国家自然科学基金委员会杰出青年基金(1997),中国化学会青年化学奖(1997),宝钢教学基金会“优秀教师特等奖”(1997),香港求是科技基金会“杰出青年学者奖”(1998),吉林省“十大杰出青年”,教育部长江学者奖励计划“特聘教授”(1999),全国师德先进个人(2001),国家自然科学二等奖(2004),北京市茅以升青年科技奖(2004),中国化学会-巴斯夫青年知识创新奖(2005),中国青年科技奖(2006),中国科学院院士(2007),英国皇家化学会Fellow (2008),中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖(2010),日本东京大学工学部 Fellow (2013),香港浸会大学杰出客座教授(2013)。