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sciencejoy新蟲 (著名寫手)
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理論給高分子工業(yè)的紅利 已有1人參與
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請點擊我的博客文章 以下為復(fù)制粘貼的內(nèi)容： 在高分子工業(yè)的創(chuàng)始階段便有理論家參與材料設(shè)計。盡管這一產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成熟，但仍然像以前一樣需要理論家為高分子新材料的發(fā)展和應(yīng)用繼續(xù)做出貢獻。 原文見：Nature Materials 7, 261 - 263 (2008) 原作者：Glenn H. Fredrickson，高分子理論學(xué)家，加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授，目前致力于發(fā)展高分子場論模擬。The Equilibrium Theory of Inhomogeneous Polymers 一書的作者 高分子是當今世界最常見的材料之一。固體高分子（即塑料）是汽車、飛機、家具和家電的主要部件，并且在保健、建筑等方面也在起著越來越重要的作用。類似地，橡膠和彈性體在輪胎、膠粘劑和運動裝備方面作用重大。溶液中的高分子對于油漆、涂層和各種個人護理用品如護發(fā)素和發(fā)型固定劑、指甲油和指甲護理乳液等的性能有至關(guān)重要的影響。 高分子材料無處不在，不僅僅在于它們易于加工，還在于它們功能多樣。通過調(diào)整單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)、高分子的分子量或分子量分布、支化程度，可以使材料具備各種令人吃驚的物理性質(zhì)。 調(diào)節(jié)高分子材料性質(zhì)——結(jié)構(gòu)關(guān)系的方法有多種多樣，這使高分子材料的理論理解意義重大。如果我們理解清楚了高分子性質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，那么高分子材料性能調(diào)節(jié)就可以變得方便快捷，這也是高分子工業(yè)界希望看到的。為此，高分子理論和高分子理論學(xué)家對高分子工業(yè)發(fā)展的價值不應(yīng)被低估。隨著企業(yè)本身對基礎(chǔ)研究資助的削減和對直接指向應(yīng)用的要求的不斷增長，企業(yè)與學(xué)術(shù)界聯(lián)合進行理論研究變得越來越有必要。 高分子工業(yè)的進化 相對其他重要類型的材料如金屬和陶瓷而言，高分子材料是相當年輕的，只有大約75年的歷史，然而高分子材料發(fā)展速度驚人，許多主流的塑料已經(jīng)成為了大規(guī)模生產(chǎn)的大宗商品。這些材料的大宗商品化削弱了對其加強研發(fā)力度的動力，但是，不斷涌現(xiàn)的應(yīng)用于各種領(lǐng)域的特種高分子材料吸引了生機勃勃的研究投入。特種高分子的性質(zhì)可以與高性能工程高分子如尼龍、聚酯（如聚對苯二甲酸乙二酯，簡稱PET）、聚碳酸酯相媲美甚至超過它們。高分子早已是最頂尖的技術(shù)應(yīng)用的組成部分，如應(yīng)用于印制超高密度集成電路的光刻膠。半導(dǎo)體高分子有望用于制造先進的顯示器。在保健和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高分子已經(jīng)應(yīng)用于組織工程、藥物釋放和基因療法。高分子在化妝品和化妝用具產(chǎn)業(yè)中也將會有重要的應(yīng)用，富裕的工業(yè)國家的老齡和肥胖人口對化妝品和化妝用具有很大需求。 能源和可再生原料領(lǐng)域的快速發(fā)展也為高分子研究提供了極大機遇。光伏器件和電池、燃料電池都對高分子科學(xué)家提出了意義重大和激動人心的挑戰(zhàn)。世界范圍的飲用水短缺將會推動對超濾膜和脫鹽膜的需求。當前，全球變暖和運輸燃料的可回收原料如生物柴油，引起全社會的關(guān)注，這使人們重新對利用工業(yè)廢料和副產(chǎn)物如二氧化碳和甘油制備可回收資源高分子的興趣。 要實現(xiàn)這些方面的應(yīng)用，需要設(shè)計出全新的高分子，或者改造現(xiàn)有的高分子使其滿足新的要求。后者反映在高分子工業(yè)的一個重要增長領(lǐng)域：特種通用高分子。在這兩種情況下，未來在市場上取得成功將不再是僅簡單制造塑料的企業(yè)，而將是那些懂得如何設(shè)計和營銷應(yīng)用下一代高分子的產(chǎn)品的企業(yè)。 理論的進化 理論高分子科學(xué)曾經(jīng)在一段時間里與高分子工業(yè)并行發(fā)展。在高分子科學(xué)的早期階段，理論學(xué)家面對與表征、溶解、加工和操作高分子的性質(zhì)相關(guān)的無數(shù)挑戰(zhàn)。那個時期最著名的大牛是弗洛里(Flory)，他的學(xué)術(shù)領(lǐng)域是物理化學(xué)，但是他花大量時間與工業(yè)界合作,研究化學(xué)動力學(xué)、分離和加工，現(xiàn)在這些課題都已經(jīng)成為化工學(xué)科的問題。二十世紀六七十年代，先驅(qū)者如Edwards 和 皮埃爾-吉勒·德熱納 等將理論物理學(xué)中的一些強有力的工具應(yīng)用于高分子的研究，使高分子科學(xué)的面貌煥然一新。這些工具包括場論方法、重正化群和標度概念，這些方法非常有助于洞察高分子熔體、溶液、網(wǎng)絡(luò)和凝膠的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。這些工作在上個世紀的八十年代得到進一步的拓展，為研究纏結(jié)高分子的流動和粘彈性質(zhì)提供了分子基礎(chǔ)，這些課題與高分子工業(yè)品的加工緊密相關(guān)。這個時期的另一個顯著特點是，對高分子材料的納米結(jié)構(gòu)的理論關(guān)注開始增多，研究的體系包括嵌段和接枝共聚物及高分子表面和界面體系。在這個時期，解析的理論方法得到精煉，為一些強大的數(shù)值模擬方法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，這些數(shù)值模擬方法在那以后的二十年里廣泛用于分析高分子納米結(jié)構(gòu)和界面組裝。 需要注意到的是，引領(lǐng)這些進展的理論家都供職于學(xué)術(shù)機構(gòu)或一些杰出的公司的研究實驗室如貝爾和IBM（還有施樂公司，這個公司為高分子自洽場理論到達發(fā)展做出過重要貢獻，華人理論學(xué)家史安昌、陳征宇都曾在這個公司工作——本博客補充）。隨著公司實驗室就業(yè)機會的減少，供職于高分子工業(yè)界的理論學(xué)者也已經(jīng)很少了，這樣，學(xué)術(shù)界的理論學(xué)家身上的擔子越來越重了，他們要通過提供咨詢和合作研究為產(chǎn)業(yè)界做出自己的貢獻。 企業(yè)環(huán)境 盡管我有幸早在二十世紀八十年代就職于貝爾實驗室,但是直到我在1990年在加州大學(xué)圣巴巴拉分校任教之后才開始與高分子工業(yè)界有交流。由于我在大學(xué)工作，我可以自由地與多個公司共事。我發(fā)現(xiàn)這種交流對我非常有啟發(fā)，對我的研究非常有幫助，能夠為現(xiàn)實世界的問題提供建議或解決方法（雖然這種機會不太多）帶給我巨大的滿足感。 理論為理解和預(yù)測各種高分子體系的物理行為提供概念和工具。這些知識可以加速材料設(shè)計和開發(fā)，這使得雇傭理論學(xué)家的公司更有競爭力。遺憾的是，雇傭理論高分子科學(xué)的碩士和博士的公司仍然很少。部分原因是企業(yè)文化，高分子工業(yè)畢竟是由化學(xué)家和化工學(xué)家而非物理學(xué)家或材料學(xué)家建立的。不過，我的學(xué)生情況要好一些，因為他們拿得是化工的學(xué)位，盡管他們的論文像物理系的學(xué)生一樣是高深的理論研究方向。自然，公司還是應(yīng)該以實驗方向的科學(xué)家為主，畢竟，高分子材料主要先從實驗中發(fā)展，能做出新東西的人要比那些建議別人做什么實驗的人更有價值。 工業(yè)界的理論學(xué)家還要面臨另外一個挑戰(zhàn)，他們正被大公司的研究實驗室掃地出門。貝爾實驗室的模式早已被高分子工業(yè)界拋棄。當今的高分子公司研發(fā)部門的“研”部分正在削弱，研發(fā)部門的項目都有清晰的逐利目標。研究人員一般由銷售部門資助，只能從事那些能立即帶來利潤的短期的項目研究。這樣造成的結(jié)果是，進入這種環(huán)境的理論學(xué)家掌握很有意義的新技術(shù)的機會很有限，需要不停地更換研究項目，不大可能會對高分子理論的突破性發(fā)展做出很大貢獻。如果某種基礎(chǔ)理論發(fā)展是需要的并且是很重要的，工業(yè)界一般會從學(xué)術(shù)界找人合作。 對于工業(yè)界中的理論學(xué)家來說，一個好的方面是，他們面對各種各樣有趣的問題，最終可以欣慰地看到他們的工作改變了周圍的世界�？焖侔l(fā)展的商業(yè)領(lǐng)域（包括能源、可再生資源材料、保健與醫(yī)學(xué)）充滿了對智力的巨大挑戰(zhàn),比如，我們對共軛高分子界面的分子和介觀結(jié)構(gòu)與它的電荷注入特性之間的關(guān)系還知之甚少，目前還沒有處理這一問題的理論工具，這樣的工具需要量子化學(xué)家、固體物理學(xué)家與高分子學(xué)家通力合作。盡管學(xué)術(shù)界的理論學(xué)家無疑會參與這樣的工具的發(fā)展，但是需要產(chǎn)業(yè)界的理論學(xué)家將之用于設(shè)計和優(yōu)化下一代有機電子學(xué)和光伏打材料和器件。 Joyful Physics 博客文章鏈接： http://joyfulphysics.scholarnet.cn/?p=56 |
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