论聚合(Über Polymerisation)
橡胶、塑料与蛋白质,各是一个巨大的分子,而非小分子的堆积。
一百年来,化学家都以为分子只有一种尺寸:小。施陶丁格却坚称,有些分子是巨大的——橡胶、丝与塑料,实际上各是一个庞然大物般的分子。
核心想法
你在化学里遇到的多数分子都很小——一个水分子不过三个原子。施陶丁格说,像橡胶、纤维素与早期塑料这样的材料,是另一类东西:每一份都由成千上万个小单元,被强化学键首尾相扣,连成一条庞大的链分子,他后来给它起名叫「大分子」。把单单一条拉直,也许有几万个原子那么长。
这在今天听来理所当然,可在 1920 年却是异端。当时公认的解释是:这些物质不过是许多普通的小分子,松松地抱成一团,像一团由散雪片堆成的雪球。施陶丁格的主张是:根本没有什么团块——那巨大的尺寸,就是一个真实的分子,由与其他任何分子一样的共价键维系。
它是如何诞生的
施陶丁格本已是一位受人尊敬的有机化学家,在苏黎世的联邦理工学院工作。当他转向那些大多数化学家都避之不及的、黏糊糊的「胶体」物质时,他在 1920 年一篇直白地题为《论聚合》的论文里,摆出了这样的论点:聚合是一种寻常的化学反应,把小单元串成长链——随后,他用了整整十年,在激烈的抵制中去证明它。
他最有力的实验,几乎带着戏剧性。倘若橡胶当真是一堆靠双键彼此粘连的小分子,那么用化学方法除去这些双键——给它加上氢——就应当让它碎成小块。施陶丁格把橡胶氢化了,它却依旧是橡胶状,依旧表现得像一个巨大的分子。溶液黏度,给了他第二件武器:链越长,溶液越稠,而且规律分明,他把这变成了一把量度分子量的尺。1926 年在杜塞尔多夫一场如今出了名的会议上,他面对的是满屋子怀有敌意的同行;但不出十年,证据便已取胜,而他也在 1953 年获得了诺贝尔奖。
它为何重要
几乎所有用塑料、橡胶或合成纤维做的东西之所以存在,都是因为我们学会了把这些材料当作可以设计的链:把链做得更长、让它分支、或把它交联,你就能调出强度、伸展与熔点。而同一个想法也重组了生物学——蛋白质、淀粉、纤维素与 DNA,全都是大分子,是其顺序与长度承载着功能的长链。
一个可以想象的画面
想象一串穿好的珠链,对比一堆散落的珠子。旧理论说,橡胶是一堆彼此挨着的散珠;把它拎起来,就会四散。施陶丁格说,珠子是被穿起来的——一条连续的线贯穿所有珠子,所以它是一个可以整体拎起的东西。剪断散珠之间的力,那一堆便垮了;而穿好的珠链不会。施陶丁格的加氢实验做的正是这样的「剪断」——材料却仍连成一体,因为它从头到尾就是一串珠链。
它的位置
十九世纪的化学,已经把小分子摸得透彻——凯库勒的苯环、范特霍夫的四面体碳,本馆别处都有——却在大分子面前止步。施陶丁格把结构化学延伸到了巨大的分子,也由此为理解生命自身的聚合物铺平了道路:那些蛋白质,以及晚一代人才弄清的 DNA 双螺旋。