人造“彩虹世界”

它是现代生活不可分割的一部分，我们用它来包装食物、制造玩具、制造汽车，等等。它是如此普遍，我们却时常忽略它。是的，我们谈论的是塑料，当然也是一类材料——聚合物，它塑造了过去100来年形形色色、多姿多彩的世界。

聚合物大世界

在塑料出现之前，人类生活中的日常物件通常直接利用天然的材料制造工具，比如将木材变成木桶、木梳子。但是，随着塑料的出现，各种各样的塑料制品使人类生活变得更加丰富多彩，充满乐趣。
我们称之为塑料的东西，化学家把它们叫做聚合物。其实聚合物是很好理解的：一种分子（化学家眼中的单体分子），它的首和尾都具有活性，经过反应后首尾可以相互连接成串，很多分子连成一大串后形成了“分子大链条”，而许许多多的“分子大链条”加起来就是聚合物了你可以想象将一节一节的车厢相连，最终成为一列火车的场景。
人类发明的第一种聚合物叫“电木”（贝克莱特酚醛树脂），它曾被人们封为“神奇材料”，于1909年获得专利，它的单体分子是甲醛。电木在加热的条件下可以形成各种形状，冷却之后又不容易变形。因此，人们将它运用到很多物件当中，比如电视、珠宝上都有电木的身影。
除了甲醛，后来人们又发现很多种类的单体分子。对于同一种单体分子，如果“分子大链条”的长度不同，相应的聚合物也会不同。最初，人们只制备了由同一种单体分子合成的聚合物，如今，种类繁多的聚合物生产出了尼龙衬衫、聚乙烯塑料袋、膨体聚四氟乙烯防水外套、凯夫拉防弹衣等等产品，掀起“聚合物狂潮”。
不过，与科学家的未来雄心相比，这点狂潮根本不算什么。

合成“分子大链条”

自然界有一种非常著名的单体分子——氨基酸，众所周知，它们能制造蛋白质。蛋白质也算是一种聚合物，但它和电木等人造聚合物有一个关键的区别，组成蛋白质所用到的单体不只有一种，而是很多种，或者说很多氨基酸。从头发、指甲、肌腱到消化酶，所有这些无与伦比、功能多样的蛋白质都是21个氨基酸中的某些串成的“氨基酸分子大链条”。
要注意的是，“氨基酸分子大链条”不仅长度不同，连内部的氨基酸小分子的排列顺序也不一样。但是生物体却能精确地控制它们（长度和排序），产生自己想要的蛋白质类型，比如指甲部位产生的蛋白质是指甲，而不会是消化酶。可见，蛋白质这种天然聚合物背后，有着杰出的“控制能力”。
受到氨基酸的启发，人们也想利用多种单体分子来合成，说不定能产生独特的新型聚合物。不过，这个过程可不是把不同单体分子放在一个袋子里那么简单，而是要进行一大堆试验，因为单体分子们之间的连接长度和顺序是随机的，所以会出现很多种类的“分子大链条”，这就非常麻烦了，因为你需要的可能仅仅是其中一种。在过去几年里，化学家们确实开发了能将一个单体分子连接到另一个单体分子上的方法，然而每一次连接都要非常仔细，而且单单一种聚合物可能就需要数千次的连接，非常耗时耗力。
那么，如何利用多种单体分子快速合成人们需要的某种聚合物呢？氨基酸合成蛋白质的精确“控制能力”值得我们借鉴。
通过不断研究，化学家发现了其中一种聚合物——“嵌段共聚物”的合成过程最接近氨基酸-蛋白质自然控制法。它是两种或两种以上不同的“分子大链条”连在一起制备而成的，你可以想象成一列组合型火车，带头的是6个蓝色车厢组成的“分子大链条”，后面接着6个红色车厢组成的“分子大链条”，然后再是6个蓝色车厢……不断循环。具有弹性“莱卡”聚合物就是其中一种“嵌段共聚物”，人们用这种有弹性的人造材料来制作紧身衣。

思维突破带来新方法

除了参照蛋白质的合成法则，有些人还参考了我们的细胞内核糖体这台灵巧的机器，因为它在几秒内就能以正确的顺序“缝制”出氨基酸。那么，有没有可能发明出一种人造核糖体来合成聚合物呢？
这是英国曼彻斯特大学戴维·利的想法。2013年，戴维·利的团队公布了第一台人造核糖体——一种功能化的纳米分子环。它能在分子轨道上移动，沿路拾捡“建筑材料”，然后以特定顺序将“建筑材料”串在一起，合成新分子。但它有一个缺点：只能生产含有3个单体分子的链而且行动非常缓慢。戴维·利下一步的目标是改进分子机器，制造出更复杂的“分子链条”。
2015年，美国加州大学的研究人员发明了环形的“超级单体分子”，它本身就含有很多单体分子了，也就是说聚合物的基本单位改变了，但这种“超级单体分子”之间却能更容易连接到一起。研究人员利用外部的化学作用促发“超级单体分子”发生反应，做出一大堆有一定相同序列的新聚合物，包括可生物降解的聚合物，这种可降解聚合物能充当“包装袋”，裹住药物，送往人体内的特定部位。

顺序和长度最重要

不过，大多数的人工方法并不完美。任何一种自然生产的蛋白质，总有相同的长度、相同的序列和相同的形状，保证了蛋白质具有正常功能。这些人造聚合物链虽然具有确定的顺序，却没有确定的长度。许多链同时在实验室烧瓶里“生长”，反应结束时，一些会比另外一些长或者短，显然，按照这种情况，聚合物的产量就会受到限制。
研究人员想出了一个替代战略，称为迭代指数增长，即同时操作几个反应。例如，在一个烧瓶中，你把单体1和2连接一起，形成1-2；同时另一烧瓶中，你连接了单体3和4，形成3-4；接着将每一烧瓶的一半分别倒入两个新烧瓶中进行反应，制作出两瓶1-2-3-4，然后再次在新烧瓶中减半混合反应，就能制作出1-2-3-4-1-2-3-4。这样的话，“分子链条”就和每个反应的周期长度相对应，“分子链条”不会出现长短不一的现象了。研究人员还开发了一种“连续反应器”，能迅速产生上万克的聚合物，非常便利。
我们还要思考一个问题：对于某一种聚合物，比如弹性材料“莱卡”，如果对其单体分子顺序进行微调整，它会发生怎样的变化？是变得更有弹性还是变硬？或者会产生一种新材料？目前还没有人能确切地解答这个问题，因为实验中顺序控制还做得不够好。不过，研究人员发现即使是微小的调整，都可能导致材料性能发生巨大的改变。
聚合物是高科技和人类思维的结晶，已然成为我们日常生活不可或缺的一部分。化学家正在积极酝酿聚合物的二次革命，人类的下一个世纪，或许是全新的彩虹世界。