歷史故事在高分子化學教學中的意義

紀仕辰，沈星燦

摘要：簡單介紹了高分子科學發展過程中的幾個故事，并對其背后的科學精神和科學理念及在高分子化學教學中的意義進行了評述。

關鍵詞：高分子化學；高分子科技發展史；歷史故事

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）37-0063-02

高分子發展過程中眾多的趣聞軼事構成了高分子科技發展史的重要內容。我們在高分子化學教學過程中注意穿插相應的歷史故事，并加以分析評價，幫助學生了解歷史，讓學生掌握科學的智慧，取得了較好的教學效果。以下就有關故事進行簡單的介紹。

一、Staudinger與高分子學說的創立

1920年Staudinger發表了劃時代的《論聚合》，首次提出了“長鏈大分子”的概念。共價長鏈分子的概念在今天不難理解。然而歷史上高分子學說的確立卻頗費周折，一些科學家已測到聚合物的高分子量，卻拒絕接受這一實驗結果。一方面，當時盛行的膠體說能解釋部分實驗現象；另一方面，個人認為可能還與化學史有關。1861年，格雷阿姆提出“膠體”這個名詞時，近代的原子—分子論為人們接受不久。高分子長鏈假說的提出，無疑有悖于物質是由“簡單分子”構成這一慣性思維。這個故事教育我們不僅要學習Staudinger堅持真理，不懈努力的精神，還要學會轉變思維方式。“Think different”是一個科技工作者必備的素質。一個新學科的誕生、新研究方向的確立，往往都伴隨著新思維的產生。

二、導電高分子的發現

導電高分子的發現充滿了戲劇性。1967年，白川英樹的研究生做實驗時錯用了一千倍的催化劑，加上攪拌器湊巧停止，在溶液表面生成了銀色的薄膜狀物。白川英樹以此為切入點，進行了深入細致的研究，終于發現制備膜狀聚乙炔的有效方法。1975年，美國的Macdiarmid教授偶然見到白川英樹的金屬光澤的膜狀聚乙炔后，立即邀請他去美國與Heeger合作研究。后來，三人一起獲得了2000年諾貝爾化學獎，也被傳為佳話。與硝酸纖維素、炭黑增強橡膠等發現一樣，聚乙炔膜的發現也是“偶然的”。這個故事也教育我們合作的重要性。“這是我的idea，說出去會不會被別人學去了？”具有知識保護意識固然重要，合作交流能夠更快、更有效地促進研究的發展，科研中需要有團隊精神。

三、Crothers與尼龍66

深受女士喜愛的尼龍襪無疑是引出縮聚反應的最佳例子。尼龍襪在全美首次發售時，每人限購一雙，500萬雙當天告罄，沒有買到尼龍襪的人在裸腿上畫紋路冒充絲襪。那么引起如此轟動的商品是如何制造出來的？這個問題吊起了學生的胃口，他們對相應的知識特別用心。1928年，杜邦公司成立了基礎化學研究所，Crothers受聘擔任該所的負責人，并決心利用二元醇和二元酸的縮聚來支持當時剛剛提出的高分子學說。在實驗中，同事偶然發現熔融的聚酯可以抽絲，Crothers意識到這是紡絲原料的特性，并展開了大量的研究。克服各種困難后，最終得到了尼龍66纖維。尼龍66的出現不僅有力的支持了高分子學說，也深入改變了人們的生活。尼龍的發現離不開Crothers。同樣讓人稱道的還有杜邦公司，能夠在經濟大蕭條時期拿出一筆巨款支持沒有明確應用目的的基礎研究，需要敏銳的眼光和巨大的勇氣。注重基礎研究，在今天也有著重要的借鑒意義。

四、塑料之父——Baekeland

作為第一種人造聚合物——酚醛樹脂的發明者，Baekeland是一個傳奇人物。他21歲就獲得了博士學位，專利意識非常強。發明Velox相紙后，故意在專利中省略一兩步。結果柯達公司不得不兩次出資購買。在發明酚醛樹脂后，Baekeland及時申請了專利（僅比同行早一天），也得到了塑料之父之稱。Baekeland的幸運和知識產權保護意識讓人感嘆不已。酚醛樹脂的發明也是一個成功的科研案例。Baekeland敏銳地意識到絕緣材料在剛剛興起的電力工業中的巨大市場，將研究目標確定為尋找天然絕緣材料的替代品。他沒有立即進行實驗，先是充分進行了文獻調研。發現早在1872年德國化學家Vaeyer曾把苯酚和甲醛混合產生一種樹脂狀物質，指出在實驗中應防止它的產生。Baekeland反其道而行之，加熱加壓來加快反應，得到琥珀樣的樣品，并最終掌握了酚醛樹脂的制備方法。他于1907年申請了專利，這年也被視為塑料元年。這個故事充分說明了科學研究的選題和文獻調研的重要性，在閱讀文獻時要注意批判性閱讀，不迷信已有的解釋。

五、配位聚合和Ziegler-Natta

1953年Ziegler在用乙基鋁使乙烯加成的一次偶然失敗中發現，鎳會抑制反應進行，其他過渡金屬也有類似作用。他給博士生Breil的論文題目是“系統地實驗整個周期表的元素”來對這一作用進行研究！有趣的是，最終研究得到了一種能使乙烯迅速聚合成為高分子量聚乙烯的催化劑。事實恰好與預料的相反，這充分說明，和預期不同的結果不見得是壞結果！Natta的成功無疑是跟蹤世界研究前沿的結果。他在Ziegler催化劑研究之初就派人過去接受指導。在用改進后的催化劑進行了丙烯聚合后，Natta發現它含有高結晶部分，敏銳地“把新的結晶聚合物的結構歸之于主鏈或至少相當長部分的主鏈上的不對稱碳原子都采取了相同的構型”。Natta文章因未披露催化劑的本質這一關鍵問題，初審被拒稿。而作為編輯的Flory則意識到了文章不尋常的意義，更改了裁決才使得文章得以發表。與Ziegler-Natta的成功相對的是，1943年Fischer希望能找到使乙烯聚合成潤滑油的方法，發現“當三氯化鋁與四氯化鈦并用作催化劑時，液態產物減少而有利于生成固態物”，因此似乎是失望多于希望。另外，Ziegler的學生Wesslan制備聚丙烯后，發現物質的熔點高于聚乙烯，他肯定自己錯了，他不相信支化會提高石蠟烴的熔點。他沒有認識到熔點升高的意義。這兩個故事也從反面再次印證了如何看待實驗中的意外。高分子史上還有更多的歷史故事，如“的確良”（滌綸），田中耕一發現質譜離子化新方法，聚四氟乙烯和高壓聚乙烯的發現等。在高分子化學教學中適當穿插相應的歷史故事，不僅可以增加課堂的趣味性，還有助于學生了解科學家思考問題的方式，學習他們成功的經驗和失敗的教訓，培養學生思考研究的能力。

最后要強調的是，故事可以有適當的藝術處理，但不應違背歷史和科學常識。如有文章這樣介紹導電高分子“樓道角落里的一堆既像塑料又閃著銀光的薄膜吸引了艾倫教授的注意了。當他好奇地詢問陪同的白川教授時，對方不以為然地回答：這只是一堆廢品，毫無科學價值”。該描述對百川英樹有失公允，引用后會給學生錯誤的印象。充分利用網絡資源對故事進行甄別，可以避免這種事情的發生。

致謝：本文獲教育部本科教學工程與專業綜合改革試點建設項目；廣西專業課程一體化建設項目；廣西緊缺專業建設項目；廣西高等教育教學改革工程立項項目資助。

參考文獻：

[1]董炎明.奇妙的高分子世界[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2]姚金水，李梅，等.高分子科技發展史上幾個重要事件給我們的啟示——兼談高分子物理概論部分的講授[J].高分子通報，2012，（8）：101.

[3]P.J.Flory，Principles of Polymer Chemistry，Cornell University Press，Ithaca，New York，1953.

[4]曹鏞，萬梅香，李永舫.2000年諾貝爾化學獎獲得者介紹[J].化學通報，2001，（1）：2.

[5]吉祥保.“垃圾”的妙用[J].讀者，2007，（13）：47.