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科幻小说《三体》中有一种飞船，形状像水滴，使用了强相互作用力材料，几乎坚不可摧。这虽然是作者天马行空的想象，但人类始终在追求更硬、更强而且更轻的材料，却是事实。在工业时代，应用最广泛的材料莫过于钢和塑料了，它们的特点却有着天壤之别。 水滴飞船的材料是科学家的终极追求 钢的强度大，韧性好，几乎处处都离不开它，但钢材的缺点就是太沉了，每立方米重达7.8~7.9吨，拿起来费力还增加了能源的消耗。塑料就比较轻，成型也方便，但强度却远比不上钢材，用来做日用品挺好，拿去修铁路造机器就力不从心了。 如果有一种材料，能达到比钢材更高的强度，却能做到像塑料一样轻，甚至更轻，那一定会大有用武之地。实际上，这种理想的材料多年来一直是科学家追寻的目标，但却收获却不多，想要取代钢材更是天方夜谭。 钢材仍是最重要的材料 不过，最近事情似乎有了转机：顶级学术期刊《自然》杂志2月2日刊登了一篇论文，介绍美国麻省理工学院等科研机构造出了一种新材料：2DPA-1二维聚合物，屈服强度达到了488MPa，而常用的普通碳素结构钢Q235的屈服强度仅有235MPa。 也就是说，这种材料的强度已经超过了一般的钢材，然而它的密度却仅有钢材的六分之一，即1.3吨/立方米左右，这比普通塑料的密度（约1.4吨/立方米）还略低一些。更奇特的是，这种材料还是一种有机高分子材料，并不含金属。MIT的科学家到底是怎么做到的呢？ 原因就在于2DPA-1是一种“二维”聚合物。我们平常用的塑料也是高分子聚合物，但却是一维的。所谓聚合物就是把一个个单体有机分子通过化学键构成长链，这个长链实际上是有着极大分子量的单个分子。由于长链几乎是首尾相连而成，所以称为“一维”聚合物。由于两个长链分子之间的联系并不紧密，所以强度有限。 聚甲基丙烯酸甲酯，一种长链状的聚合物分子 而二维聚合物则又前进了一大步：它也是由单体分子聚合而成，却不仅仅是首尾相连，而是在一个平面上进行二维连接，形成了一种二维的聚合大分子，就像一张大网一样。与长链状的一维聚合物相比，二维聚合物分子由于在两个方向上都有化学键束缚，其强度势必要高于一维聚合物，而密度则相差不多。 科学家早已预想到二维聚合物可能具有良好的材料性能，已经进行了比较多的研究，也通过各种手段生成了一些二维聚合物，并体现出了二维材料的优势。但之前在实验室中生成的二维聚合材料却有着难以克服的缺点。 例如，与简洁的一维长链不同，二维聚合分子的生长非常复杂，单体在组合时一不小心就会出错，比如本来应该在一个水平面上生长，却经常有单体分子错长到了竖直方向，破坏了整个分子的结构，导致聚合失败。 石墨烯就是一种二维聚合结构 而有些研究者采用可逆反应的手段来修复这些错误，虽然最终形成了二维聚合物，但由于反应是可逆的，材料的化学和物理性质不稳定，分子结构很容易遭到破坏，并不实用。总之，要想找到强度极大、密度很小，稳定且容易制备的二维聚合物材料，是件很难的事。 而本次发布的研究成果中，2DPA-1分子的生成却是个不可逆的过程，制取工艺的可操作性好，最后形成的材料也具备很好的化学和物理性质，可以制成强度极高的薄膜或片材，具备广阔的应用前景。那么这又是如何实现的呢？ 原来，秘诀在于组成2DPA-1分子的两种单体分子，一个是均苯甲酰氯，一个是三聚氰胺。你没看错，后者就是那个2008年劣质奶粉事件的主角三聚氰胺。这两种分子的特点就是在一个环（苯环或氮环）上面有三个成120度角排列的分叉。  均苯甲酰氯和三聚氰胺聚合成2DPA-1 这些分叉在一定的条件下，可以自动地按照一定规律组合在一起，形成一个类似“石墨烯”的六边形网络结构，最终构成一个圆盘状的大分子。特殊的分子结构决定了聚合过程基本上都会在同一平面内完成，很少会出错，而且聚合反应也是不可逆的， 在形成一层结构之后，两层分子之间还可通过氢键连接，于是便形成了这种比钢材强度更大，却比塑料密度更小的新型材料。2DPA-1制备起来也很方便，可以在溶液中自发反应生成，很适合做薄膜或涂层，也可以做成片材。由于是二维分子结构，这种薄膜可以完全阻止水和气体透过。  2DPA-1材料形成的薄膜 很明显，这一材料和技术在工业上有着巨大的前景，有可能带来材料领域的一场革命。完成这一成果的是麻省理工学院化学工程系的迈克尔·斯特拉诺团队，而第一作者和主要贡献人是Yuwen Zeng，听名字就像是一位中国人或华人。在该论文长长的作者列表中，也出现了很多中国名字。 而据ORCID网站上的信息，Yuwen Zeng是2015年在中科院上海有机化学研究所获得的博士学位，毕业后在所内工作一年，随后在2016年前往美国，先后在哈佛大学和麻省理工学院做博士后，该论文就是以博士后身份发表的。由此基本可以认定该研究者是中国人或华人。  论文作者列表中有许多中国名字 这一现象让人马君想起了另一件事：著名的信息提供商汤森路透集团曾发布过一个“全球顶尖100位材料学家”榜单，是根据2000~2010年的论文发表和引用情况排出的，其中有15位华人科学家，而前6位居然全是华人，这6个人中有5位的本科毕业院校都是中科大，目前这5位学者的主要工作单位均在美国。 这样的局面首先是让人感到高兴，毕竟这代表了华人的实力，无论如何是一件好事。但细想一下又有些惆怅：在我国的工业领域，材料一直是短板，高端的航空发动机、芯片等产业经常受限于材料短板，大量的高性能材料需要进口，受制于人，与科学家排行榜上的盛景形成鲜明对比。  汤森路透集团评选的2000~2010全球100位顶尖材料科学家，15位为华人 然而虽然我国在材料领域还有较大欠缺，但在高校里，生化环材却一度被称为四大“天坑”专业，学生人数众多，上学时科研任务极重，毕业后想找个待遇好的工作却是难于登天，大量毕业生被迫转行或出国。 造成这一现象的原因有很多，其中很重要的一条就是产学研不配套。高校科研都是为了发论文，发论文当然就要追学术热点，研究国际上最新最热门的东西。很可能在实验室做出一种新材料就可以发表一篇论文，然而这种材料在现实中却可能毫无用处。 而我国工业界急需的是提高一些传统材料的性能，例如钢材的力学指标，其中的难点是工艺上的认识和突破，这种突破能实实在在的提高工业水平，却并不是学术热点。这样一来，学生掌握的技能与工业部门的实际需求就脱节了。 生化环材一度被称为“天坑”专业 况且就算是不脱节，传统工业部门也没那么多岗位和需求，科研院所又比较难进。即使最终找到工作，其待遇和IT金融也没法儿比，吸引力很弱。毕业生的出路不畅，很多人转行，而其中一些比较优秀的人就选择了出国。 以美国为例，凭借着大量科研经费，可以养活很多研究者，而这些专业又不太受美国本地学生待见，自然成为中国留学生的较好归宿。很多优秀的人才就这么远走国外，并且留在了那里，并通过自身努力做出了成果。如何打破“天坑”专业的魔咒，留住人才，真正提高我国在材料领域的实力，仍是一个值得探讨的课题。 |
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