高分子科學

聚合物科學（英語：Polymer science），或稱高分子科學，是研究聚合物的材料科學的分支，研究對象主要為塑膠及彈性體（橡膠）等聚合物，有時也包括生物高分子，例如蛋白質、去氧核糖核酸（DNA）等。高分子科學是一門交叉學科，研究者可以來自物理、化學、生物學及工程學等各種不同的領域。

聚乙炔的球棍模型

歷史

19世紀

1830年代，法國化學家布拉科諾（英語：Henri Braconnot）、德國化學家尚班等人首次對高分子進行了現代科學意義的研究。他們以天然高分子纖維素為原料，製造出了賽璐珞、醋酸纖維素等半合成材料。 「聚合物」（Polymer）一詞由瑞典化學家貝採利烏斯在1833年所提出。

1840年代，德國化學家呂德斯多夫（德語：Friedrich Wilhelm Lüdersdorff）和美國商人海沃德（英語：Nathaniel Hayward）分別獨立發現了天然橡膠的硫化反應，即在聚異戊二烯中加入硫後，前者的黏度會大幅增加。隨後，美國商人古德伊爾在1844年獲得了通過加熱橡膠以及向其中添加硫從而使其硫化的專利，英國工程師漢考克（英語：Thomas Hancock (inventor)）也在一年前於英國獲得了該項專利。天然橡膠經過硫化處理後可以在保留彈性的同時提高耐熱性，使得一些實用產品例如防水物件的生產製造成為可能，從而促進了橡膠產業的發展。硫化橡膠也是第一個成功商品化的高分子研究產物。

1884年，法國工程師夏敦內（英語：Hilaire de Chardonnet）開辦了第一家以再生纖維素和嫘縈為原材料的人造纖維工廠。這種纖維被用作絲綢的替代品，但是它非常易燃。^[1]

20世紀上半葉

1907 年，比利時化學家貝克蘭發明了第一個化學合成的高分子——熱固性酚醛樹脂，俗稱電木。^[2] 儘管當時聚合物合成領域進步得相當迅速，但直到1922年德國化學家施陶丁格的研究後，人們才了解到這些材料作為高分子聚合物的本質。^[3] 在他之前，聚合物一直被視為小分子關聯（英語：association theory）或聚集而形成的產物，源自於1861年蘇格蘭化學家格雷姆的假設，即認為這些纖維和其他的聚合物本質上都是膠體，由大量小分子與分子之間未知的分子內的力量聚合而成。施陶丁格是第一次提出了聚合物是由原子藉由共價鍵形成長鏈高分子的假設。在施陶丁格數十年的努力後，他的高分子理論才在科學界廣泛的被接受，並且讓他在1953年獲得了諾貝爾化學獎。

二戰及戰後

第二次世界大戰造就了商業化的聚合物工業的時代。太平洋戰爭期間，由於絲綢或是橡膠等天然材料的供應在美國受到限制，刺激了聚合物合成的產業的發展，諸如尼龍^[4] 和合成橡膠^[5] 等合成高分子材料的產量得到大幅提升。同時，其他高分子材料如克維拉、特氟龍等的發展繼續推動着不斷增長的聚合物工業。

工業需求的擴大，進而促使了高分子學術項目以及研究機構的建立。1946年，奧地利裔美國化學家赫爾曼在布魯克林理工學院（今紐約大學坦登工程學院）建立了「高分子研究所」（Polymer Research Institute），是為美國第一個專注於聚合物的研究機構，日後赫爾曼也被認為是聚合物科學的課程與教學之父。^[6] 1950年，美國化學學會成立了聚合化學分會，並且逐漸成為了擁有近八千名會員的第二大部門。

與高分子科學相關的諾貝爾獎

年份 獎項 獲獎者 國家 獲獎原因 1953年 化學 赫爾曼·施陶丁格  西德 在高分子化學領域的研究發現 for his discoveries in the field of macromolecular chemistry [7] 1963年 化學 卡爾·齊格勒  西德 在高聚物的化學性質和技術領域中的研究發現 for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers [8] 居里奧·納塔  意大利 1974年 化學 保羅·弗洛里  美國 高分子物理化學的理論與實驗兩個方面的基礎研究 for his fundamental work, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of macromolecules [9] 1991年 物理學 皮埃爾-吉勒·德熱納  法國 發現研究簡單系統中有序現象的方法可以被推廣到比較複雜的物質形式，特別是推廣到液晶和聚合物的研究中 for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers [10] 2000年 化學 艾倫·黑格  美國 發現和發展了導電聚合物 for their discovery and development of conductive polymers [11] 艾倫·麥克德爾米德  美國  新西蘭 白川英樹  日本 2002年 化學 約翰·貝內特·芬恩  美國 發展了對生物大分子進行鑑定和結構分析的方法，建立了軟解析電離法對生物大分子進行質譜分析 for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules [...] for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules [12] 田中耕一  日本 庫爾特·維特里希  瑞士 發展了對生物大分子進行鑑定和結構分析的方法，建立了利用核磁共振光譜來解析溶液中生物大分子三維結構的方法 [...] for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution [12] 2005年 化學 伊夫·肖萬  法國 發展了有機合成中的複分解法 for the development of the metathesis method in organic synthesis [13] 羅伯特·格拉布  美國 理查德·施羅克  美國

學科分支

高分子科學包含以下分支:

• 聚合物化學，又稱高分子化學，涉及聚合物的合成以及其特性。
• 聚合物物理，涉及高分子材料的物理性質以及其工程應用。
• 聚合物表徵（英語：Polymer characterization），涉及對聚合物化學結構與形態的分析，判斷不同組成和結構對其物理性質的影響。

參考文獻

1. plastiquarian. [2013-01-25]. （原始內容存檔於2009-04-02）.
2. Bakelite: The World's First Synthetic Plastic. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始內容存檔於2012-07-22）.
3. Hermann Staudinger: Foundation of Polymer Science. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始內容存檔於2013年1月12日）.
4. Foundation of Polymer Science: Wallace Carothers and the Development of Nylon. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始內容存檔於2013-02-23）.
5. U.S. Synthetic Rubber Program. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始內容存檔於2013-02-23）.
6. Herman Mark and the Polymer Research Institute. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始內容存檔於2013-01-12）.
7. The Nobel Prize in Chemistry 1953. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始內容存檔於2013-06-22）.
8. The Nobel Prize in Chemistry 1963. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始內容存檔於2013-07-21）.
9. The Nobel Prize in Chemistry 1974. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始內容存檔於2013-06-22）.
10. The Nobel Prize in Physics 1991. Nobel Foundation. [2008-10-09]. （原始內容存檔於2008-11-02）.
11. The Nobel Prize in Chemistry 2000. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始內容存檔於2013-06-22）.
12. The Nobel Prize in Chemistry 2002. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始內容存檔於2013-06-22）.
13. The Nobel Prize in Chemistry 2005. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始內容存檔於2013-07-21）.

外部連結

• 高分子科學學術期刊（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）