从橡胶到生命

孙尉翔 — Wed, 05 Mar 2008 11:14:14 -0800

重读《高分子物理》，真是收获良多。今晚看到了关于SBS共聚物热塑性弹性体的段落时候，连系到近年来很火爆的软物质、嵌段共聚物自组装等研究，很有体会。

SBS是塑料链和橡胶链共聚产物，跟一务的塑料或橡胶相比，其显示出一种特有的应变软化现象，即所谓的“应变诱发塑料——橡胶转变”。其现象如下：
当其中的塑料相和橡胶相的组成比接近1:1时，材料室温下像塑料，其拉伸行为起先与一般塑料的冷拉现象相似。在应变约5%处发生屈服成颈，随后细颈逐渐发展，应力几乎不变而应变不断增加，直到细颈发展完成，此时应变约200%，进一步拉伸，细颈被均匀拉伸，应力可进一步升高，最大应变可高达500%，甚至更高。可是如果移去外力，这种大形变却能迅速基本回复，而不像一般塑料强迫高弹性需要加热到Tg或Tm附近才回复。而且，如果接着进行第二次拉伸，则开始发生大形变所需要的外力比第一次拉伸要小得多，试样也不再发生屈服和成颈过程，而与一般交联橡胶的拉伸过程相似，材料呈现高弹性。……更为奇特的是经拉伸变为橡胶的试样，如果在室温下放置较长的时间，又能恢复拉伸前的塑料性质。
结构决定性能，这种奇异的特性也是由特殊的微观结构所决定的，书中之后就转而讨论SBS的微观结构，列出了SBS薄膜试样超薄切片的电镜照片。看到照片，我就有点惊讶地发现，不这就是现在那些做嵌段共聚物自组装的人们最爱看到的长程有序图吗？这样的一些有序图案，在对self-assembly集体膜拜的今天都已经成了“神奇的大自然”的代言了。以前看到这里，只是学习到一种特殊的结构，看了一两年研究论文，对“自组装”这个词都看到有点儿烦的时候，回头看到几十年前的老书上放了一张这样的图片，才觉得头脑清醒。

现在提出的所谓“软物质”，意思是指相对于弱的外界影响，比如施加给物质瞬间的或微弱的刺激，能够作出相当显著响应和变化的一类凝聚态物质。“天然橡胶分子的200个碳原子中，只要有一个与硫原子生作用，就会使天然橡胶汁从液体变成具有弹性的固体（查尔斯·固特易，Charles Goodyear）；一滴卤水就能使一锅豆浆凝结成豆腐；一滴骨胶可以使墨汁长期稳定而不沉淀；一颗钮扣电池可以驱动液晶手表工作几年……”。从结构上看，软物质之所以有各种各样“神奇”的性质，是因为在其柔软的外观下存在着复杂的相对有序的结构，其结构常常介于固体与液体之间。高分子材料就是一种常常因其结构的细小变化而引起体系宏观性质的巨大变异（如硫化、结晶、熔体剪切变稀等）的物质。从软物质观点出发，高分子凝聚态物理的研究上升到一个新的高度。

最近，科学界（尤其是物理化学）还在讨论非还原论的方法论，其中最引人注目的就是emergence。以往的科学家探索自然界构架时，习惯于“还原论”的思维方法，即将复杂万物还原为简单（如基本粒子），然后再从简单重建复杂宇宙。但实践中从简单构筑复杂并不像还原论者设想的那样简单，“……当面对尺度与复杂性的双重困难时，重建论的假设就崩溃了。其结果是大量的基本粒子的复杂聚集体的行为并不能依据少数粒子的性质作简单外推就能得到理解。”说通俗点儿，就是我们无法从原子外推到生命现象，因为“在每一复杂性的发展层次中呈现了全新的性质”，比如我们要先有有机物，然后要有大分子，然后要有基因、蛋白质、细胞、器官、……每一个层次都是异常新奇的“各自为政”的不同世界，“要理解这些新行为所需做的研究，就其基础性而言，与其他相比毫不逊色。”（P. W. Anderson, 1972）。事实上，emergence也好，复杂性也好，大家的潜意识都是想搞清楚生命，尤其是生命的那些奇妙之处（而不是“合理”之处）。而假如关注“奇妙”之处，大自然也不仅在生命里为我们展现奇妙。许多软物质的奇妙现象，和生命类似（生命就是一团超级软物质），也是来源于各种程度的复杂性的。高分子的发现，为我们展现了“死物”的“活”的一面，和石头和金属相比，高分子材料的粘弹性，以及表现出来的屈服、细颈、记忆，以至时温等效现象等等，给人感觉有一股“灵气”，一种“性格”，其对刺激响应不像石头或金属那样千篇一律。高分子的理论，也超越了一般的化学结构层面，而是微观、介观、宏观多层次发展，在时空上探索高分子的多尺度性，研究手段从中子自旋回波到光学显微镜，实际上不仅是高分子研究本身，更是揭示了自然界“灵气”的由来，为生命现象进一步去魅，指出了研究的方向。关于混沌、有序和生命现象的数理讨论早就开始了，最著名的莫过于J. H. Conway的生命游戏。目前大家已经开始在实验上小试牛刀，也就是现在的仿生学。比较著名的例子就是由荷叶表面和水黾脚所启发的超疏水表面研究。不过，尽管这一例子名气大震，但是类似的研究还是很少很希罕，基本上是出现一个就发Science或Nature，比如前段时间的碳纳米管阵列仿生壁虎脚趾，总之目前这样的工作是零零星星，将来大有文章可作。不过，与其不耐其烦地自下而上地从小分子设计开始来组装多层级体系，还不如试试现成的，理论基础丰实的多层级体系——高分子。我们一向就已经在利用高分子的多尺度复杂性来构筑具有特定属性的体系了，只是以前我们不这么说而已。按以前的说法，那是“正确掌握高分子材料结构性能的关系，正确地设计、合成、加工和改造高分子材料”。如果我们从今天自组织、软物质、复杂性等新角度来看高分子研究，就可以大大释放高分子科学的力量，使其从“日用化工”变成前沿，带领众兄弟学科向着认识生命本质的终极目标迈进。