史上最伟大的四种聚合物背后的科学

在PopSci ，我们通常关注科学技术的最新创新。但过去聚合物科学（塑料和其他类似材料的研究）中的许多创新仍然具有现实意义，值得认可。它们拯救了生命，使婴儿保持干爽，并使巨大的鲨鱼观察池成为可能。有些材料的商标名后来代表了整个产品类别，例如 Kevlar。其他材料则默默无闻。以下是一些最重要的材料，以及科学家如何设计它们以发挥其魔力。

聚甲基丙烯酸甲酯

应用：Lucite、假牙、水族馆窗户
开发年份：1877年

聚甲基丙烯酸甲酯是一种用途广泛的聚合物。如果你见过透明的塑料块，那很可能就是聚甲基丙烯酸甲酯。它最早在 20 世纪 30 年代在德国商业化，现在任何需要透明、坚固材料的地方都能找到它。这包括你最喜欢的街角酒铺里的防弹“玻璃”和蒙特利湾水族馆的巨大鲨鱼缸。但我最喜欢的聚甲基丙烯酸甲酯用途是所谓的“冷冻闪电”或利希滕贝格人物雕塑。基本上，将一块聚甲基丙烯酸甲酯放入电子加速器中，向塑料中发射一束电子，直到其电荷达到约 200 万伏，然后用一根电线接触塑料的侧面，观察闪电在透明塑料内留下的痕迹。

超级吸收剂

应用：尿布
开发时间：20 世纪 60 年代

过去，尿布是用布制成的。通常，这些布尿布里都塞满了天然吸水纤维。后来，聚合物科学家在 20 世纪 60 年代发现，他们可以制造聚丙烯酸等水凝胶，这种水凝胶可以吸收自身重量数倍的水。这花了大约 20 年的时间，但聚合物超级吸收剂在 80 年代中期首次出现在尿布中。超级吸收剂有时（但不总是）是聚电解质，这意味着聚合物链上的侧基带正电或负电。这有助于聚合物链与水等极性液体结合。

Kevlar 和 Nomex

应用：防弹背心和防火服
开发年份：20 世纪 60 年代初期（Nomex）；1965 年（Kevlar）

凯夫拉和诺梅克斯是两种聚合物，它们都属于一种叫做芳族聚酰胺（芳香族聚酰胺）的化合物。芳族聚酰胺具有特别强的化学键，材料科学家利用这种强度用这种聚合物制造抗冲击和防火纤维。例如，凯夫拉纤维特别坚固，因为在纤维纺丝过程中，所有聚合物链都对齐，一个挨着一个。诺梅克斯的聚合物链有轻微的扭结，这意味着用它制成的纤维无法完美排列，因此会稍微脆弱一些。这两种纤维都具有相对的防火性，但凯夫拉的强度可以阻挡子弹。除了防弹背心外，凯夫拉还用于小军鼓鼓皮。诺梅克斯用于消防员的防护装备。

聚苯乙烯

应用：Shrinky Dinks
开发年份：1839年

Shrinky Dinks 非常棒。给一些塑料条涂上颜色，将它们放入烤箱，然后观察它们自行折叠起来。事实证明，这些雨天用品是由与泡沫塑料杯相同的聚合物制成的：聚苯乙烯。聚苯乙烯于 1931 年在德国首次商业化（泡沫塑料直到 1954 年才在美国开发），是一种用途广泛的聚合物，每年生产数百万吨。Shrinky Dink 最初是一张聚苯乙烯片，在接近熔点时被压制和压平。这迫使聚合物链伸展并排列。片材冷却，聚合物链被冻结在原位（想象它伸展开一个 Slinky 并握住它）。当您将 Shrinky Dink 扔进烤箱时，聚合物片材会变热，聚合物链开始移动。当温度足够高时，所有的聚合物链都会重新卷起，使聚合物片收缩，就像 Slinky 在您松开时会自行收缩一样。西北大学的科学家最近利用这一特性制造了纳米图案表面。为了让结构非常紧密地结合在一起，他们使用拉伸的聚苯乙烯并在其表面上印上点。然后他们加热薄片，薄片收缩，形成非常高密度的点阵列。