styrofoam 七位诺贝尔化学奖得主讲述人类化学的进程

本文由微信公众号环球科学ScientificAmerican授权转载。

整理 费里斯·贾布尔（ferris jabr） 插图 Bomboland工作室 翻译 王超

化学家通常都是在原子和分子层次研究物质的性质。看上去，这个范围似乎有些窄，但事实却恰恰相反。化学揭示了世界的很多方面，包括生命如何起源、人体如何运作、微小分子如何影响地球的大气层等。另外，利用化学方法，人类还制造出了许多自然界不存在的材料。

一个多世纪以来，化学科学可谓硕果累累，这从长长的诺贝尔化学奖得主名单就可以看出。这里，我们摘选了由历届诺贝尔化学奖得主撰写、曾登载于《科学美国人》的经典文章。虽然有些文章已时间久远，但其中描述的重要研究，仍能让今天的人们产生共鸣。

说起来也许令人吃惊，直到20世纪初，科学家才为关于原子和分子的抽象概念，找到坚实的实验基础。1913年，特奥多尔· （特）·斯韦德贝里〔Theodor （The） Svedberg〕在《科学美国人》上发表文章，描述了欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）使用α粒子（氦原子的原子核）进行的实验，这个实验与其他实验一起，不容置疑地证明了原子和分子的存在。100年后，原子力显微镜等技术已经可以拍摄出分子的照片，连原子和原子间的化学键都清晰可见，这些照片让质疑的声音再也没有立足之地。

再回到20世纪初。那时，X射线晶体学的发展，帮助科学家第一次获得了几种分子的原子三维排布图。1961年，约翰·C·肯德鲁（John C. Kendrew）在《科学美国人》中撰文称，探索一种氧合蛋白质——肌红蛋白（myoglobin）的3D结构的经历，堪比欧洲探险家第一次看到美洲大陆。

直到今天，许多研究人员仍然依赖X射线晶体学，探测蛋白质以及生命体中其他分子的结构。有两年获得诺贝尔化学奖（2009年和2012年）的研究都与X射线法有关：科学家利用这种方法，弄清楚了细胞中两种大分子聚合体的结构（核糖体和G蛋白偶联受体）后，才得出了更重要的研究成果。在核糖体的研究中，X射线晶体学不仅让科学家看到了，这个精巧复杂的分子机器如何把氨基酸串联成蛋白质，还帮助研究人员开发出了可以干扰细菌核糖体的抗生素。同样，对G蛋白偶联受体的深入理解，也可以帮助研究人员设计更先进的药物，因为市面上的药物中，有三分之一的作用目标都是细胞膜上的这类受体。2011年，科学家拍摄了活动中的G蛋白偶联受体的X射线照片，第一次将细胞信号跨膜传输的精妙过程详细地呈现了出来。

尽管科学家借助X射线晶体学和其他新工具，对发生在生命体中的生物化学过程展开了深入研究，但生命起源仍然是一个未解之谜。1952年，哈罗德·C·尤里（Harold C. Urey）和他的学生斯坦利·L·米勒（Stanley L. Miller）开展了一项被誉为“经典”的、关于生命起源的化学实验。

他们在实验室中重建了可能代表地球早期大气的环境，证实了简单分子可以生成氨基酸——构成蛋白质和地球上所有生命的基石。此后，研究人员继续探究生命起源的奥秘。其中有一个学派认为，在我们今天熟知的生物化学体系（由DNA制造RNA，然后由RNA制造蛋白质）出现之前，还存在一个RNA世界，RNA独自完成各项功能。

就在尤里开展生命起源实验的同一年，他在《科学美国人》上发表了一篇关于地球大气起源的文章。时过境迁，今天，人造的化学物质已经使地球的大气构成发生了剧烈改变。比如，氯氟烃（chlorofluorocarbon，CFC）造成了臭氧层的损害。但今天的科学家对大气层的复杂性仍旧感到惊异。

用化学方法生产出的人造物质极大地改善了人们的日常生活。上个世纪，精细化工发展迅速，人们合成出了许多自然界不存在的、用途广泛的材料和药物。合成聚合物［由重复单元 （即单体） 链状连接而成的巨大分子］就是一个很好的例子。

下面这几个商标，你肯定都很熟悉：特富龙（Teflon）、聚苯乙烯泡沫塑料（Styrofoam）、凯夫拉尔纤维（Kevlar）。1963年，居里奥·纳塔（Giulio Natta）和卡尔·W·齐格勒（Karl W. Ziegler）因为开发出可以控制单体聚合取向的催化剂，获得了诺贝尔化学奖。直到今天，工业界仍在使用齐格勒-纳塔（及其他相关）的催化剂合成塑料。

化学的研究范围非常广阔，未来在这个领域，将产生许多足以获得诺贝尔奖的重要突破。也许，科学家将构建出真正的、可以发挥生理功能的人造细胞；或者制造出一种效率比植物更高的、能从阳光中获取能量的人造树叶。无论是哪种新发明，历史证明，它们都将帮助我们更深入地了解整个世界的运行机制，创造出自然界无法赋予我们的有用物质。

——斯图尔特·坎特里尔

（Stuart Cantrill,《自然·化学》总编辑）

电与物质的本质

by 玛丽·居里（Marie Curie）

本文刊登于1908年6月号《科学美国人》

玛丽·居里于1911年获得诺贝尔奖

当一个人回顾最近十年物理学的发展时，他一定会吃惊地发现，我们对电和物质本质的基本认识，已经发生了巨大改变。这要归功于对气体导电性的研究，以及放射性现象的发现和对此展开的研究。我相信这场变革才刚刚开始，我们完全可以期待未来将会有更大的发展。今天，我们似乎可以确定的一点是，我们对电流粒子化结构的看法，而这种看法可以证实、完善另一种由来已久的看法：物质的基本构成也是粒子。这种看法是各种化学理论的基础。

同时，可以肯定的是，带电粒子是存在的（以目前的科学水平，这些粒子是无法再分的），而且它们已经显露出了一些重要性质。带负电的粒子，我们称之为电子，它们处于一种游离状态，独立于所有材料的原子，与原子没有任何共性。在这种状态下，电子拥有一定的空间体积，被赋予了一定程度的惰性，这些性质暗示，电子可能也具有一定的质量。

实验结果显示，相比物质的分子，电子的体积极小，质量也甚微，还不及氢原子的千分之一。实验还显示，如果这种粒子可以孤立存在，那么它们很可能存在于所有普通物质中，也许在一定条件下，我们还能找到办法，把电子从金属之类的物质中导出，而且不改变它们的性质。

如果我们因此认为电子是一种物质，就相当于把电子与原子分成了不同的类别，并承认这样一种极其微小的粒子是存在的，它们可以自由进出原子，而不一定引起原子结构的破坏。从这一点来看，我们可以把每个原子看成一个复杂的结构，而原子的辐射光谱的复杂性（不同的原子，具有不同的辐射光谱），也印证了这个推测。至此，对于带负电的粒子（即电子），我们已经有了非常准确的概念。

对于带正电荷的粒子，情况则有些不一样。最大的差异似乎在于两者的带电情况。带正电的粒子似乎总与物质的原子联系在一起，而且到目前为止，我们没理由认为，正电粒子能脱离原子单独存在。最近的一个重要发现可以帮助我们更深入地理解物质。这就是新发现的一种被称为“放射性”的物质新特性。放射性是指某些物质的原子可以放射出粒子，放射出的粒子中，有些的质量与原子自身相当，有些则是电子。铀和钍就具有轻微的放射性。因为这种放射性，我们发现了一种新的化学元素——镭，这是一种具有极强放射性的元素。镭放射出的粒子中，有一部分是高速喷射出的，这一过程还会释放大量的热量。因此，放射性物质可以作为一种能源。

目前，能最好地解释放射性现象的理论认为，在一定时间内，放射性物质中会有一定比例的原子发生转化，形成质量较轻的原子，某些情形下还会伴随电子的发射。这就是元素嬗变理论（theory of the transmutation of elements）。但是，我们的理论并不能实现炼金术士们的梦想。至少目前，元素嬗变是无法被人工引发或者调控的。有证据显示，所有种类的物质都具有轻微的放射性。这说明物质可能并非如我们先前认为的那样是亘古不变的，而是处在不断变化的过程中，只是这种变化极其缓慢，我们无法察觉。至此，关于带电粒子的概念已经呈现在我们面前，这个概念将在现代电理论中占据重要地位。

分子存在吗

by 特奥多尔·（特）·斯韦德贝里（Theodor（The）Svedberg）

本文刊登于1913年2月号《科学美国人》

特奥多尔·（特）·斯韦德贝里于1926年获得诺贝尔奖

如果一个人从19世纪末或更早撰写的化学或者物理手册中，寻找有关分子的信息，会时常见到质疑分子是否真实存在的论述。一些作者甚至认为，不可能用实验解决这个问题。然而在短短十来年之后的今天，情况已经发生了翻天覆地的变化。今天，分子是存在的，这已经是确凿无疑的事实。而前沿研究领域的这一根本性变化，都要归结于科学家在20世纪启幕之际所做的几项研究——欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）对α射线的杰出研究，以及针对液体和气体中悬浮粒子的多项研究，为物质的原子构成提供了坚实的依据。

三类证据可以表明，分子确实存在：第一，通过实验，我们可以直接观察到一些现象，能证明物质具有不连续（离散）的结构；第二，应用动力学理论（kinetic theory）对胶体溶液进行研究显示，只有当溶解的颗粒非常大时，胶体才会与真实溶液有所差别。除此之外，胶体在各方面都表现得和真正的溶液一样，也遵循相同的规律；第三，最近，科学家已经证明不可分割的基本电荷确实存在，由此可以推论，宏观物体也具有粒子结构。

卢瑟福所进行的那项伟大研究（1902－1909年），就属于上面提到的第一类证据。卢瑟福发现，许多放射性物质发射出的粒子，在失去速度的情况下（比如与容器壁碰撞时），会表现出氦气的特性。由此可以证明，氦气是由微小的离散粒子——分子构成的。事实上，卢瑟福还可以数出，在0℃和一个大气压下，一立方厘米的氦气中含有多少个α粒子或者氦分子 （1908年）。

第二类分子存在的证据，来自于很多研究。比如，在胶体悬浮液中，不同深度的悬浮液浓度也不同，以及在这一体系中，科学家观察到的粒子扩散、布朗运动（Brownian movement）以及光吸收等现象。

最后一个证据则是，现今对气体导电及β射线的探究，都确凿无疑地说明，电荷像物质一样，具有粒子的性质，且最基本的带电粒子（即电子）质量仅为氢原子的1/700。不久前，罗伯特·安德鲁斯·米利肯（Robert Andrews Millikan）和埃里希·雷格纳（Erich Regener）分别用完全不同的方法，分离出了孤立的单个电子，并对其性质进行了直接研究。

我们可以看到，过去十年的研究，已经为分子的存在提供了非常有说服力的证据。我们不仅可以肯定，物质具有粒子结构，而且还找到了一些方法，可以研究单个粒子。现在，我们可以直接计算粒子的数量，称出粒子的重量——那些持怀疑态度的人还有什么可说的吗？

热原子化学

by 威拉德·F·利比（Willard F. Libby）

本文刊登于1950年3月号《科学美国人》

威拉德·F·利比于1960年获得诺贝尔奖

刚开始学化学时，学生首先学到的知识可能就是，原子的化学性质仅仅取决于环绕原子核运动的电子，与原子核自身毫无关系。实际上，对同位素的经典定义也认为，某一元素的所有同位素尽管拥有不同的原子核，但它们的化学性质是一致的。但与所有靠归纳总结得出的结论一样，这个论断也是有瑕疵的。实际情况是，如果原子核具有放射性，那么原子核的行为会强烈影响原子的化学性质。这种原子放射性导致的反常化学性质，促成了一门令人着迷的新科学——热原子化学（hot atom chemistry）的形成。

放射性现象发现不久，人们注意到了发生在热原子上的反常化学反应。对热原子化学的正式研究始于1934年，那一年，英国的莱奥·齐拉（Leo Szilard）和T·A·查尔默斯（T. A. Chalmers）发明了一种被称为齐拉－查尔默斯过程（Szilard-Chalmers process）的方法，利用热化学反应生产某些高浓度放射性化合物的样品，用于科学研究。但直到不久前，第二次世界大战结束时，化学家才开始大量研究放射性物质，并对这一课题产生了越来越浓厚的兴趣。从那时起，全球所有科技发达国家的化学家们都涌向这个领域。

我们特别关注的一组化学反应是，化合物碘乙烷（CH3CH2I）中放射性碘的行为。我们先使用链式反应堆或者回旋加速器产生中子，用这些中子辐射普通的液态碘乙烷，把其中的部分碘原子转变为放射性碘。中子没有化学活性，因为中子不含有电子，为电中性，也正因为如此，它的穿透能力惊人，可以轻易穿过数英寸（1英寸约合2.54 厘米）厚的固体物质，直到在路径上碰到微小而致密的原子核。

如果我们把一瓶碘乙烷暴露在中子源前，中子会穿过玻璃，部分为碘原子俘获。普通的碘原子，即碘127，吸收了一个中子之后，会转变为放射性同位素碘128。这种碘的放射性同位素极不稳定：在远短于万亿分之一秒的时间内，就会放射出能量高达数兆电子伏的伽马射线。释放出大量能量之后，碘128原子回到一个能量较低的激发态。此时，原子仍然不稳定，会继续衰变，通过发射β粒子，逐渐衰变为氙128，半衰期为25分钟。由于衰变会释放能量，碘乙烷分子中的碘128原子会获得巨大的反冲能（recoil energy）——类似于枪支发射子弹产生的后坐力。据计算，原子的反冲能可高达200兆电子伏。碘原子在碘乙烷分子中成键的化学能只有3或4电子伏，反冲能却远高于化学键的强度，以至于碘128原子都被这股巨大的力量从分子中“轰”出来了。

热原子化学关注的就是这些高速碘原子脱离分子之后发生的反常化学反应。由于碘128原子具有放射性，研究人员比较容易对其后续行为进行追踪。

热原子化学可以应用在哪些方面呢？一个显而易见的用途是，制备高度浓缩的放射源。这项技术有助于放射性材料在许多领域的应用，尤其是生物学。当把放射性同位素注射进生物体内时，无论是做示踪剂还是治疗疾病，为了避免干扰血液的正常组成和机体正常的新陈代谢，注射剂量必须尽可能小。

地球的起源

by 哈罗德·C·尤里（Harold C. Urey）

本文刊登于1952年10月号《科学美国人》

哈罗德·C·尤里1934年获得诺贝尔奖

生活在爱琴海萨摩斯岛的古希腊天文学家阿里斯塔克斯（Aristarchus）认为，地球和其他行星都围绕太阳运动。但这个观点一直遭到天文学家的反对，直到2 000年后，哥白尼（Copernicus）再次提出这个观点。古希腊人最早知道地球的形状和大致体积，以及日食发生的原因。哥白尼去世后，丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）在位于波罗的海汶岛的天文台观察火星的运动；在此基础上，约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）发现了火星和地球以及其他行星都沿着椭圆轨道围绕太阳运动；再然后，伟大的艾萨克·牛顿（Isaac Newton）提出了万有引力定律和三大运动定律。经过几代科学家的努力，精确描述整个太阳系终于成为了可能。而在随后的几个世纪里，一些最伟大的科学家和数学家也都致力于研究这个主题。

然而不幸的是，与描述太阳系各个组成部分的运动相比，描述太阳系的起源更加困难。地球和其他行星是怎样形成的？没有人亲眼见到过，所以要想证明自己提出的猜想是完全正确的，也很困难。我们只能在不违反物理定律和观测结果的前提下，大致构想出当时可能发生的一系列事件。

在银河系的一块空旷区域里，一片巨大的、由尘埃和气体组成的星云受到恒星光压的压缩。随后，引力加速了物质聚积的过程。接着，太阳以我们还不清楚的某种方式形成了，发光发热，直到今天。围绕太阳的、由尘埃和气体组成的星云，分解为多个湍流涡旋，然后形成原行星。今天的每个行星对应一个原行星，火星和木星之间的较大小行星也可能对应着相应的原行星。在这一阶段，水和氨的冷凝导致大型星子（planetesimals）聚集形成。其中一颗巨大的星子构成了月球的主体；还有一个更大的星子最终形成了地球。一开始星子的温度非常低，但是后来温度则高到可以熔化铁。低温阶段时，水在这些星子上聚集；而在高温阶段，星子开始俘获以石墨和碳化铁形式存在的碳。此时气体开始逸散，星子通过碰撞合并。

然后，地球可能就这样形成了！

但是此后又发生了什么呢？当然发生了很多事情，其中就包括地球大气层的演化。当地球刚刚成为固体时，它很可能拥有一个由水蒸气、氮气、甲烷、氢气和少量其他气体组成的大气层。爱尔兰都柏林大学的J·H·J·普尔（J. H. J. Poole）提出了一个基础性的观点：氢元素的流失造就了富含氧气的大气。比如，甲烷（CH4）和氨（NH3）中所含的氢元素慢慢流失掉，最后剩下氮气、二氧化碳、水和游离氧。我相信这个过程确实发生过，但是在游离氧诞生之前，许多含有氢、碳、氮和氧的分子一定已经出现了。然后，地球上进化出了生命，开始光合作用，植物把二氧化碳和水转化为食物和氧气。最后大气中的氧气含量增加，成为今天我们见到的大气。直到现在，地球及其大气的物理和化学进化过程仍在不断进行着。

变化的大气

by 托马斯·E·格雷德尔（Thomas E. Graedel）

保罗·J·克鲁岑（Paul J. Crutzen）

本文刊登于1989年9月号《科学美国人》

保罗·J·克鲁岑于1995年获得诺贝尔奖

地球的大气一直处在不断变动中，它的成分、温度和自我清洁的能力与星球诞生伊始相比都有所改变。然而在刚刚过去的两个世纪中，变化的速度达到了惊人的程度：特别是大气的成分，已经以人类历史上前所未有的速度发生了改变。

现在，这些变化带来的影响正逐渐显露出来，比如酸雨、材料腐蚀、城市烟雾和臭氧层（可保护地球远离有害紫外线辐射）日益变薄。大气科学家预测，因为日益增强的温室效应（温室气体会吸收地球表面反射的红外辐射，并把能量辐射回地球，对全球产生暖化作用），我们的星球会迅速变暖（可能导致气候剧变）。

当然，大自然的一些活动也会影响大气成分的变动。例如，火山会向对流层（平均高度为10至15千米）和平流层（平均高度为10至50千米） 排放含硫和含氯的气体。尽管如此，人类活动还是要为近200年来大气成分的快速改变负主要责任。这些活动包括使用化石燃料（煤和石油）、其他一些工业和农业活动、生物质燃烧（大范围陆面植被燃烧的现象）和砍伐森林。

如果人类继续向大气层大量排放“痕量气体”（trace gas，指大气中体积浓度低于1%的气体），我们对未来很难乐观起来。人口的持续增长和社会的不断发展，不仅以前所未有的程度改变了大气的化学成分，还导致了全球气候变暖。地球仿佛成了一个危机四伏的实验室，而我们每一个人都正在参与其中。

尤为棘手的是，我们还没有完全掌握大气的运行规律，以及它与生物体和非生物体相互影响的机制。在这种情况下，人类活动却在不断地增加大气的负担，未来极有可能出现难以预料的危机。南极出现的臭氧层空洞就是一个危险的例子，在不远的未来，像这样的危机可能还会出现。臭氧层空洞造成的危害的严重性，远远超出了我们的想像，这说明大气对微小的化学扰动极其敏感，而且这种扰动产生后果的发展速度，可能连最敏锐的科学家也难以预测。

尽管如此，还是有一些措施可以用来抵消大气的快速变化，从而减轻某些已知或未知的威胁。比如，有证据显示，大幅降低燃烧化石燃料的比例，可以减缓温室效应导致的全球变暖，减少烟雾，提高大气能见度，还可以最大限度地减少酸雨。还有一些措施可以治理特定的气体，比如甲烷——建立垃圾填埋场可以减少甲烷的排放；提高化石燃料的生产利用率也可能有此效果，甚至还可以通过采用新的喂养程序来降低畜牧业释放的甲烷量。

我们和其他许多人都认为，解决地球环境问题要依赖全球科学家、公众和世界领袖的共同参与，需要他们前所未有的携手合作。发达国家需要削减对地球资源的过度消耗。发展中国家则需要获得环境相关技术上的帮助，并规划好国家的发展战略，因为一个国家的快速发展，以及它对能源需求的持续增长，将对环境问题产生重要影响。如果我们现在开始努力，也许可以将大气化学成分的改变，控制在可承受的范围之内，而我们的星球也将可以继续维持正常的自然界和生态平衡。

构筑大分子的方法

by 居里奥·纳塔 （Giulio Natta）

本文刊登于1957年9月号《科学美国人》

1963年获得诺贝尔奖

化学家构建一个大型分子，其实就像一位建筑师设计一栋建筑。他们的工作都是将一定形状和尺寸的“砖块”，构筑成能满足某一需求的结构。但化学家有一个不利的地方，他无法看见自己的“砖块”，因为这些“砖块”小到连显微镜都无法看到。然而另一方面，化学家也有优势——大自然为他们提供了可供模仿的范例。化学家可以通过研究生命体如何制造大分子，学习构建类似大分子的方法。近几年来，多种组装“砖块”的新方法被发现，化学家用这些方法合成出了许多自然界不存在的材料。这也使得高分子化学研究领域越来越火。

高分子化学的蓬勃兴起，将对人类生活产生难以估量的影响。在材料行业，高分子材料占据着主要地位。全球有数千万人口生产天然高分子材料，比如纤维素、橡胶和羊毛。而现在，我们可以用更快捷、廉价的方法，从煤和石油中生产出性能相同或更优的合成材料。也许未来，我们可以将现在用来种植棉麻作物的大片土地解放出来，改种粮食，满足不断增长的世界人口的需求。

合成高分子时，除了使用自由基作为催化剂，离子也可以作为催化剂。后一种方法诞生的时间还很短，但我认为，它将引领一场高分子合成革命，有着极为广阔的发展前景。研究人员已经用阳离子催化法制造出了一些非常有趣的高分子材料：比如丁基橡胶，这种合成橡胶可以用于制造轮胎内胎。然而，新近开发出的阴离子催化剂性能更加卓越。使用阴离子催化剂，研究人员可以按照特定需求，合成相应的、性能优良的高分子。

早在1954年，我们在意大利米兰理工大学工业化学研究所的研究组就利用一些特殊的催化剂，成功地实现了乙烯基类复杂单体的聚合。我们能够合成分子链非常长的高聚物，其分子量可以达到百万量级（其中一例高达1 000万）。我们发现，只要依据经验选择合适的催化剂，高分子链的生长就尽在掌控之中。

我们还用这种方法聚合了苯乙烯和丙烯单体，二者都是可以从石油中获取的烃类化合物。合成聚丙烯能很好地说明这种合成方法的灵活性。我们可以让丙烯以3种不同的形式聚合：全同立构（isotactic）、无规立构（atactic）和嵌段全同立构（lock isotactic）。所谓“嵌段全同立构”就是一个分子链由多个嵌段组成，同一个嵌段中的侧基都排列在同一侧，相邻嵌段中的侧基则全处在另一侧。全同立构聚丙烯是一种高度结晶化的物质，熔点很高（约174℃），可以用来制造高强度的纤维，性能类似蚕丝或尼龙。无规立构聚丙烯则相反，为无定形体，具有类似橡胶的弹性。嵌段全同立构聚丙烯的性质则位于上述两者之间，它是一种塑料，具有一定的刚性和弹性。

使用一种原材料可以制造出许多性能各异的产品，这理所当然地激起了研究人员的兴趣。而且，新型可控的合成方法赋予了一些材料前所未有的性能：比如，聚苯乙烯以前被认为只是一种玻璃态物质，软化点很低（低于93℃），现在可以制备成强度高、结晶性好的塑料，熔点接近238℃。

阴离子催化剂最近表现出的巨大潜力，在欧洲和美国激起了一股高分子化学研究的热潮。由各种各样单体合成的聚合物大量涌现出来。我们实验室合成了所有常见的聚合物，还用丁二烯单体合成了一些无定形产品，其中有一些产品具有类似橡胶的性质，有一些则没有。B·F·古德里奇公司（B. F. Goodrich Company）和凡士通轮胎和橡胶公司（Firestone Tire and Rubber Company）几乎同时宣称，自己通过让异戊二烯发生聚合发应，制备出了可以媲美天然橡胶性能的人造橡胶，解决了全世界科学家苦苦探寻半个世纪无果的难题。

可以说，在某些方面，我们超越了自然。正如我在上面提到的，我们有能力用简单、廉价的原料，创造出在自然界生命体中不存在的新分子。而且我们制造大分子的速度，比生命体通常的速度更快。尽管可控的合成大分子的新方法出现还不到4年，但已经有许多新型合成材料被制造出来，它们将有可能用作纤维、橡胶和塑料。

导电塑料

by 理查德·B·卡尼尔 （Richard B. Kaner）

艾伦·G·麦克德尔米德 （Alan G. Macdiarmid）

本文刊登于1988年2月号《科学美国人》

艾伦·G·麦克德尔米德2000年获得诺贝尔奖

如果在20年前，大多数人会认为本文的标题荒诞不经，因为当时的人们会认为，塑料只可能是绝缘体，而塑料的导电性可以和铜一样的说法，就更让人无法接受了。然而过去几年中，研究人员将普通塑料的制作工艺简单调整，就完成了这个令人难以置信的转变。这种新型材料被称作导电聚合物（conducting polymer），它兼有金属的电学性质和塑料的优点，这些优点曾在上世纪三四十年代引发轰动。

为了使聚合物导电，研究人员需要把少量的特定化学物质，通过一种称作“掺杂”（doping，一种半导体制造工艺，可改变半导体电气属性）的工艺掺入其中。聚合物的掺杂流程远比传统半导体（比如硅）的掺杂流程简单得多。

当聚合物导电获得成功，导电塑料离现实也就不远了。1977年，第一种导电聚合物被合成出来；1981年第一块使用聚合物电极的电池问世。去年夏天，导电聚合物的导电性达到了铜的水平；几个月前，第一种可充电聚合物电池投放市场。

随后的研究证明，聚合物的导电性能可能超过铜，甚至在室温下可能比其他任何材料都好。特别是在考虑重量因素的情况下，比如飞行器上，它们甚至可以取代铜导线。导电聚合物不仅具有导电性，还具有令人瞩目的光学、力学和化学特质。因此，它们可以在铜无法涉足的新型应用领域中发挥作用。例如，在窗户玻璃上添加一层导电聚合物薄层，用于吸收阳光，而聚合物层颜色的深浅可以通过施加一定电压来调节。

人体是导电化合物发挥作用的另一个“场所”。有一些聚合物性质不活泼而且稳定，被认为可以用于制造神经假体，即人造神经。最被看好的材料是聚吡咯（Polypyrrole），它不仅无毒，而且可以可靠地传导适量的电荷。掺杂离子可以选用肝素（heparin），它是一种可以阻止血液凝固的化学物质，研究人员已经证明，它非常胜任聚吡咯中掺杂物的“角色”。另外，导电聚合物还可以用于体内给药系统（internal drug-delivery systems），把它植入体内，掺入同时兼做药物的分子。然后，通过程序施加一定电压，把聚合物转变为电中性状态，药物就被释放到人体。

20世纪80年代中期导电聚合物面临的境况，在很多方面都类似于50年前的传统聚合物。那时，全世界的实验室都在合成和研究传统聚合物，但在研究人员花费数年，开发出优良的聚合工艺前，传统聚合物技术并没有多少实际应用价值。与之类似，只有当导电聚合物的化学和物理性质，可以根据不同的产品需要，精细地调控时，它才能获得经济上的成功。

无论导电聚合物的应用前景如何，它新颖、神奇的特性一定会给基础科学研究带来不小的影响。未来，导电聚合物能否像它们“近亲”绝缘体一样，对世界产生巨大影响呢？只有时间知道答案。