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zrh2505177

银虫 (正式写手)

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专业: 有机分子功能材料化学

[交流] 【专题】创新赋予塑料美好未来已有2人参与

设想一下这样一个未来：人们穿着自清洁的衣服，在起居室的墙上画出反映世界景象的图画，利用温室气体生产高附加值的产品，设计能够选择性杀灭病毒和病菌的材料，外科医生在病人体内的血管中放置一个能活动的变形机器等等。什么材料能够具有以上潜在的应用特性呢？那就是塑料。

纳米塑料

纳米技术将能够把我们的生活改变多少？举个例子：蜘蛛丝是自然界最高级的材料之一，强度很大，但弹性差。美国麻省理工学院的研究人员已经研制出能够与蜘蛛丝相媲美的弹性纳米复合材料。这种纳米复合材料的应用领域可以从耐撕裂薄膜到弹性纤维再到生物医疗设备。英国纳米技术、微技术和光系统国际产业中心主任Mike Pitketly对纳米粒子进行了详细描述，解释了他们为何对纳米粒子感兴趣以及纳米粒子是如何制备的，其中包括研制纳米材料的内在动力。同时他还谈到了市场部分以及人类健康、环境保护和伦理问题。

另一个进入纳米世界的通道是碳纳米管。碳纳米管的独特结构和性能将对多种技术产生巨大影响，受影响的技术领域从微电子到固体照明光源、有机太阳能电池再到智能纤维等。对有机光伏特电池的研究已经可以制备出与硅电池相比的塑料太阳能电池。下部的研究重点将是提高塑料太阳能电池的效率和耐用性。硒化铅和导电聚合物[如(2-甲氧基-5-(2′-乙基己氧基)-1, 4-对苯乙炔) (MEH-PPV) 或者聚噻吩]的量子点混合起来已经使得电子工业向前发展了一大步。加拿大多伦多大学的教授Sargent采用量子点已经将红外能量转变为印刷太阳能电池中的电流。

美国Konarka公司的光伏发电技术很具新颖性。利用该技术，可以将可见光以及不可见光转变为电流。该技术是基于将染料敏化的光伏材料（纳米尺寸的吸光型二氧化硅）冷烧结到塑料上。目前， Evident公司的专利产品半导体纳米水晶 EviDots 在整个太阳光谱中都有活性。Evident公司正将其EviDots与Konarka公司的导电聚合物相结合研制超高性能太阳能电池（混合太阳能电池）。这种太阳能电池的容量比目前最好的硅电池还要大。量子点电力塑料可以用于节能、通讯和军事等领域。Kamat教授研究小组采用单壁碳纳米管作为纳米导电网络分散在二氧化钛纳米粒子中，这极大地提高了两相的光电转换效率。

此外，加利福尼亚大学与洛杉矶大学的科学家和Nanomix公司的研究人员另辟蹊径，将碳纳米管电晶体和聚合物制备出能够测试环境大气和人呼吸气体中的二氧化碳的浓度。这项科技将最先应用在医疗中，让医疗急救人员在救护车上能立即判断用于稳定病患的呼吸管是否有发挥作用。基于碳纳米管复合材料的压敏胶粘剂也被用于电子包装和显示器组装等领域。



                     创新聚合物

除了纳米聚合物之外，还有许多塑料新产品可能在不久的将来实现商业化生产。荷兰Polymer Vision 公司于2007年从飞利浦公司独立出来，已经完成了柔性显示器的研发工作，并与意大利电信公司达成协议，共同开发用于手机的可卷曲屏幕。这种新型的显示器是基于聚合物半导体材料的柔性开发出来的。从美国伊利诺斯州大学独立出来的Semprius公司已经开发出两步工艺法制备大规模高性能电子电路。这种电子电路可用于薄塑料膜表面。

化石燃料是碳的一个重要来源。从生物可再生资源到化工中间体再到聚合物的新工艺路线正在成为节约能源可持续发展战略的一个组成部分。美国威斯康星州大学的研究人员已经成功地将多糖的玉米转变为一种聚合物前躯体5-羟甲基-2-糠醛(5-HMF)，并将之作为石化基材料的替代品用于许多塑料中。美国康奈尔大学的研究者研制出一种先进的锌基催化剂。该催化剂能够将二氧化碳和柠檬烯氧化物聚合成聚柠檬油精碳酸酯。该聚合物属于嵌段聚合物，具有聚苯乙烯的许多特性。通过使用糖和维生素C可以降低铜催化剂的使用量，从而是催化剂系统更具环保性。在新英格兰州梅西大学的环境技术与工程研究中心，研究人员正在对牛奶发酵过程中瞬态进行研究，以期找到生产高效生物塑料的新途径。

目前，许多对生物塑料的讨论都与玉米有关。但研究人员正在探索细菌的工作原理和利用其基因秘密。在许多微生物中，普遍有一种储能材料——聚羟基丁酸酯(PHB) 。这些微生物包括：产碱杆菌、枯草杆菌、诺卡氏菌, 铜绿假单胞菌和大豆根瘤菌。 PHB属于聚羟基烷酸酯（PHA）中的一种，PHA是聚酯中的一大类。PHA的物理特性与聚丙烯（PP）相当，两者的差异是PP的降解性差，而PHA则完全降解。 PHA生产商通过改变原料已经极大地改变了PHA的特性。例如，当真养雷氏菌用氧气或者二氧化碳喂养时，可以产出PHA。诸如Metabolix、Keneka、Biomatera和Biomer等公司都在积极地通过利用不同的微生物宿主、喂养方式和共进料目标单体来生产不同等级的PHA。最近，细菌的两条染色体已经被排列出来，并且确认有50个基因与生产PHA有关。

来自美国斯坦福大学和德国一所研究院以及GE的研究人员利用聚合物的溶胀特性研制出一种新型的名为“Duoptix”的水凝胶，可以吸附相当于本身80%质量的水分。这种水凝胶是透明的，而且营养物质可以渗透过去，这就使得Duoptix水凝胶可以用于制备人工角膜，以帮助盲人复明。Duoptix水凝胶的其他类似应用正在开发之中。

科学家正在利用聚合物作为科学创新的建构性基础。当细针等的表面涂覆上聚合物时，它们就可以将病毒或者微生物液膜戳破并将病毒和微生物破坏掉。在聚合物基质上创建有条理的坚硬表面皱纹对多种应用领域（如生物传感器和光纤衍射光栅）是十分重要的。有一个科学家小组正在研究将离子涂覆在聚二甲基矽氧烷（PDMS）平整的表面之上。另一组科学家则在努力开发通过控制聚合物薄膜表面的拓扑图来阻止其褶皱的方法。自从首次公开原子自由转移聚合以来，该技术已经成为极为活跃的研究领域。原子自由转移聚合的好处在于可以将多个单体通过化学合成的方法制备特种聚合物。因此，科研人员可以采用该技术制备出表面一边硬一边软的的材料。

               未来塑料的潜力

在纳米技术领域，碳纳米管基聚合材料将开创属于自己的时代。研究重点仍然是在保证人类健康和环境安全的前提下的特殊应用和碳纳米管的商业化生产。碳纳米管技术将于硅基技术展开激烈竞争。研究人员将致力于开发更高效率地利用清洁、无穷无尽的太阳能的技术。柔性光伏电池将能够利用可见光和不可见光。但面临的挑战是生产更大能量的电池以及大规模生产光伏特电池。

智能聚合物将作为刺激-响应开关对生物工程研究产生巨大影响。对聚合物创新的注意力将逐步从石油衍生物向植物和微生物转移。开发在严格环境下用于合成聚合物以及天然聚合物和生物聚合物的添加剂正成为研究人员需要解决的一大课题。

   越来越多的设计工程师将利用生物材料创造新的产品。英国著名工业设计工程师Ross Lovergrove的超前的创新理念激励着更多的设计工程师大胆进行创新。

将聚合物应用于航天工业也是未来创新领域。聚合物不仅仅用来制造宇航服和机器人。麻省理工大学Dubowsky教授带领的研究小组正在研究如何将一群小型塑料探测器在火星表面跳跃、翻滚和弹射这些探测器将携带感应器和照相机，可以与其他探测器通过局域网相互联系，并将数据传回地球。

无论今后我们如何利用塑料，最基本的责任理念必须坚守。必将保证稳定、安全和健康的地球是人类一切活动的前提和目的。
http://songyuchun7333.bokee.com/viewdiary.179074589.html

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