目前高分子材料工程領域存在哪些科研難題?

高分子材料幾乎可以應用於材料學研究範疇的各個領域,每個材料學中未能解決的問題都可以歸入高分子材料亟需解決的問題。因爲了解一些關於大分子自組裝領域的知識,
以此爲例粗答一下:大分子自組裝就是將高分子(均聚物或嵌段共聚物)通過分子作用力,目前應用包括生物材料、仿生細胞、納米載體、醫學成像、傳感器件、光電器件、界面材料、納米催化等。就這麼說吧,以上每個方面都存在科研難題。

1.生物材料:生物醫用材料目前僅開發出少量能通過臨牀試驗的品種。生物材料最大的問題就是生物相容性,特別是作用於人體時,要解決血栓、可降解、無毒無害等問題,這對於單一或是複合的高分子材料都是很難全部實現的,於是尋找新的生物材料以及對現有生物材料改性,使之成爲臨牀可用的材料是目前的方向。

2.仿生細胞:人工模擬細胞可以說連初級階段都算不上,但是仿生細胞如果能實現,可以說是人類科技發展里程碑意義的成就。這之中必然需要高分子科學領域的發展。簡單的說,我想設計仿生細胞首先需要有細胞膜,那麼這類囊泡狀結構就需要大分子自組裝。我們已經研究出了得到不同尺寸囊泡的工藝方法,但是生物細胞膜表面是特異性的,功能化的(而且極其複雜),我們能獲得的囊泡卻是均一的,如何做到囊泡表面功能多樣,功能定位,分室化種種都是需要研究突破的。

3.醫學成像:首先需要有生物相容性,其次醫學成像有特定的功能要求,例如靶向定位、可探測性。而且不止可探測,還要方便探測。高分子微球做成像系統載體目前是可以實現的,PEO修飾下進入細胞什麼的也可行,但是定位還需要進一步精確。

4.納米載體:竊以爲納米載體在高分子微球各種開發(pH響應、磁響應、熱響應等)後已經功能強大,藥物包被能力也很強大,最需要解決的應該就是臨牀應用了吧。

5.傳感器件、光電器件、界面材料:傳統的材料學問題。其實我們在應用上已經有金屬材料等老牌應用材料了,高分子材料作爲新生的材料雖具有很多方面的優越性,但走向市場,全面應用還有一段距離。例如石墨烯,在發現後已經被研究得很透徹了,在傳感、光電、界面材料領域都有應用空間,各種衍生物被開發出十分強大的功能。石墨烯做電池就是一例,可以有比現在很多材料更好的性能,但是市面上有幾個石墨烯電池呢?我所知我校某石墨烯課題組就和三星公司簽了專利,未來投入市場,前景一片大好,大致如此。所以說新材料還在不斷研發,如何將最新研究出的高分子材料投入生產投入市場也是需要考慮的問題不是麼?

6.納米催化:這也是化工領域一大研究熱點啊,經久不衰。君不見有機人名反應千千萬,要是每個反應對應一套催化體系,那合成效率豈不是飛起。實際上在真正做合成時是很難按照學過的那些人名反應設計合成路線的,就算是苯環上碘代都要用到高碘酸,爲啥?因爲很多反應沒有合適的催化體系,產率太低不能用。典型例子就是Ziegler和Natta弄出了個催化劑,獲得諾獎。可見催化之重要性。高分子材料提供了納米催化的嶄新的平臺。我所知一種COFs材料,在通道修飾後是可以有催化特定反應活性的。這意味着更多的化學反應可以通過高分子材料實現納米催化,當然投入化工生產就是另一回事了。這麼看來,高分子材料工程領域的科研難題太多了!最後想說的就是,現在高分子材料領域的發展已經離不開物理、化學、生命科學的發展了。理論研究上繼Flory以後已經很少有突破性進展,所以在應用上還需要結合實際考慮解決很多問題。

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