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，研究对象主要为塑膠及彈性體（橡胶）等聚合物，有时也包括生物高分子，例如蛋白质、脱氧核糖核酸（DNA）等。高分子科學是一门交叉学科，研究者可以來自物理、化學、生物学及工程學等各種不同的領域。

聚乙炔的球棍模型

歷史

19世纪

1830年代，法国化学家布拉科諾（英语：Henri Braconnot）、德国化学家尚班等人首次對高分子進行了现代科学意义的研究。他们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）一詞由瑞典化学家貝採利烏斯在1833年所提出。

1840年代，德国化学家吕德斯多夫（德语：Friedrich Wilhelm Lüdersdorff）和美国商人海沃德（英语：Nathaniel Hayward）分別獨立發現了天然橡膠的硫化反应，即在聚異戊二烯中加入硫后，前者的黏度会大幅增加。随后，美国商人古德伊尔在1844年獲得了通過加熱橡膠以及向其中添加硫从而使其硫化的專利，英国工程师漢考克（英语：Thomas Hancock (inventor)）也在一年前於英國获得了该项專利。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，使得一些实用产品例如防水物件的生产制造成為可能，从而促進了橡膠产业的发展。硫化橡膠也是第一個成功商品化的高分子研究產物。

1884年，法国工程师夏敦内（英语：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世纪上半叶

1907 年，比利时化学家贝克兰發明了第一个化学合成的高分子——熱固性酚醛樹脂，俗称電木。^[2] 儘管当时聚合物合成领域進步得相當迅速，但直到1922年德国化学家施陶丁格的研究後，人们才了解到这些材料作为高分子聚合物的本质。^[3] 在他之前，聚合物一直被視為小分子关联（英语：association theory）或聚集而形成的产物，源自於1861年苏格兰化学家格雷姆的假設，即认为這些纖維和其他的聚合物本质上都是膠體，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后，他的高分子理论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。

二战及战后

第二次世界大戰造就了商業化的聚合物工業的時代。太平洋战争期间，由于絲綢或是橡膠等天然材料的供应在美国受到限制，刺激了聚合物合成的产业的发展，诸如尼龍^[4] 和合成橡胶^[5] 等合成高分子材料的產量得到大幅提升。同时，其他高分子材料如克維拉、特氟龙等的发展继续推动着不断增长的聚合物工业。

工業需求的擴大，進而促使了高分子學術项目以及研究機構的建立。1946年，奥地利裔美国化学家赫爾曼在布魯克林理工學院（今纽约大学坦登工程学院）建立了“高分子研究所”（Polymer Research Institute），是為美國第一個专注于聚合物的研究机构，日后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学分會，並且逐渐成為了擁有近八千名会员的第二大部門。

与高分子科学相关的诺贝尔奖

年份 奖项 获奖者 國家 获奖原因 1953年 化学 赫尔曼·施陶丁格  西德 在高分子化学领域的研究发现 for his discoveries in the field of macromolecular chemistry [7] 1963年 化学 卡尔·齐格勒  西德 在高聚物的化学性质和技术领域中的研究发现 for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers [8] 居里奥·纳塔  義大利 1974年 化学 保罗·弗洛里  美国 高分子物理化学的理论与实验两个方面的基础研究 for his fundamental work, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of macromolecules [9] 1991年 物理学 皮埃尔-吉勒·德热纳  法國 发现研究简单系统中有序现象的方法可以被推广到比较复杂的物质形式，特别是推广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 化学 艾伦·黑格  美国 发现和发展了导电聚合物 for their discovery and development of conductive polymers [11] 艾伦·麦克德尔米德  美国  新西兰 白川英树  日本 2002年 化学 约翰·贝内特·芬恩  美国 发展了对生物大分子进行鉴定和结构分析的方法，建立了软解析电离法对生物大分子进行质谱分析 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 库尔特·维特里希  瑞士 发展了对生物大分子进行鉴定和结构分析的方法，建立了利用核磁共振光谱来解析溶液中生物大分子三维结构的方法 [...] for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution [12] 2005年 化学 伊夫·肖万  法國 发展了有机合成中的复分解法 for the development of the metathesis method in organic synthesis [13] 罗伯特·格拉布  美国 理查德·施罗克  美国

学科分支

高分子科学包含以下分支:

• 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。
• 聚合物表征（英语：Polymer characterization），涉及對聚合物化學結構与形態的分析，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]. （原始内容存档于2009-04-02）.
2. Bakelite: The World's First Synthetic Plastic. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始内容存档于2012-07-22）.
3. Hermann Staudinger: Foundation of Polymer Science. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始内容存档于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]. （原始内容存档于2013-02-23）.
5. U.S. Synthetic Rubber Program. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始内容存档于2013-02-23）.
6. Herman Mark and the Polymer Research Institute. National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. [June 25, 2012]. （原始内容存档于2013-01-12）.
7. The Nobel Prize in Chemistry 1953. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始内容存档于2013-06-22）.
8. The Nobel Prize in Chemistry 1963. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始内容存档于2013-07-21）.
9. The Nobel Prize in Chemistry 1974. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始内容存档于2013-06-22）.
10. The Nobel Prize in Physics 1991. Nobel Foundation. [2008-10-09]. （原始内容存档于2008-11-02）.
11. The Nobel Prize in Chemistry 2000. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始内容存档于2013-06-22）.
12. The Nobel Prize in Chemistry 2002. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始内容存档于2013-06-22）.
13. The Nobel Prize in Chemistry 2005. Nobelprize.org. [2008-10-06]. （原始内容存档于2013-07-21）.

外部連結

• 高分子科學學術期刊（页面存档备份，存于互联网档案馆）