科幻小說(shuō)《三體》中有一種飛船，形狀像水滴，使用了強(qiáng)相互作用力材料，幾乎堅(jiān)不可摧。這雖然是作者天馬行空的想象，但人類(lèi)始終在追求更硬、更強(qiáng)而且更輕的材料，卻是事實(shí)。在工業(yè)時(shí)代，應(yīng)用最廣泛的材料莫過(guò)于鋼和塑料了，它們的特點(diǎn)卻有著天壤之別。

水滴飛船的材料是科學(xué)家的終極追求

鋼的強(qiáng)度大，韌性好，幾乎處處都離不開(kāi)它，但鋼材的缺點(diǎn)就是太沉了，每立方米重達(dá)7.8~7.9噸，拿起來(lái)費(fèi)力還增加了能源的消耗。塑料就比較輕，成型也方便，但強(qiáng)度卻遠(yuǎn)比不上鋼材，用來(lái)做日用品挺好，拿去修鐵路造機(jī)器就力不從心了。

如果有一種材料，能達(dá)到比鋼材更高的強(qiáng)度，卻能做到像塑料一樣輕，甚至更輕，那一定會(huì)大有用武之地。實(shí)際上，這種理想的材料多年來(lái)一直是科學(xué)家追尋的目標(biāo)，但卻收獲卻不多，想要取代鋼材更是天方夜譚。

鋼材仍是最重要的材料

不過(guò)，最近事情似乎有了轉(zhuǎn)機(jī)：頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志2月2日刊登了一篇論文，介紹美國(guó)麻省理工學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)造出了一種新材料：2DPA-1二維聚合物，屈服強(qiáng)度達(dá)到了488MPa，而常用的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的屈服強(qiáng)度僅有235MPa。

也就是說(shuō)，這種材料的強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)了一般的鋼材，然而它的密度卻僅有鋼材的六分之一，即1.3噸/立方米左右，這比普通塑料的密度（約1.4噸/立方米）還略低一些。更奇特的是，這種材料還是一種有機(jī)高分子材料，并不含金屬。MIT的科學(xué)家到底是怎么做到的呢？

原因就在于2DPA-1是一種“二維”聚合物。我們平常用的塑料也是高分子聚合物，但卻是一維的。所謂聚合物就是把一個(gè)個(gè)單體有機(jī)分子通過(guò)化學(xué)鍵構(gòu)成長(zhǎng)鏈，這個(gè)長(zhǎng)鏈實(shí)際上是有著極大分子量的單個(gè)分子。由于長(zhǎng)鏈幾乎是首尾相連而成，所以稱(chēng)為“一維”聚合物。由于兩個(gè)長(zhǎng)鏈分子之間的聯(lián)系并不緊密，所以強(qiáng)度有限。

聚甲基丙烯酸甲酯，一種長(zhǎng)鏈狀的聚合物分子

而二維聚合物則又前進(jìn)了一大步：它也是由單體分子聚合而成，卻不僅僅是首尾相連，而是在一個(gè)平面上進(jìn)行二維連接，形成了一種二維的聚合大分子，就像一張大網(wǎng)一樣。與長(zhǎng)鏈狀的一維聚合物相比，二維聚合物分子由于在兩個(gè)方向上都有化學(xué)鍵束縛，其強(qiáng)度勢(shì)必要高于一維聚合物，而密度則相差不多。

科學(xué)家早已預(yù)想到二維聚合物可能具有良好的材料性能，已經(jīng)進(jìn)行了比較多的研究，也通過(guò)各種手段生成了一些二維聚合物，并體現(xiàn)出了二維材料的優(yōu)勢(shì)。但之前在實(shí)驗(yàn)室中生成的二維聚合材料卻有著難以克服的缺點(diǎn)。

例如，與簡(jiǎn)潔的一維長(zhǎng)鏈不同，二維聚合分子的生長(zhǎng)非常復(fù)雜，單體在組合時(shí)一不小心就會(huì)出錯(cuò)，比如本來(lái)應(yīng)該在一個(gè)水平面上生長(zhǎng)，卻經(jīng)常有單體分子錯(cuò)長(zhǎng)到了豎直方向，破壞了整個(gè)分子的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致聚合失敗。

石墨烯就是一種二維聚合結(jié)構(gòu)

而有些研究者采用可逆反應(yīng)的手段來(lái)修復(fù)這些錯(cuò)誤，雖然最終形成了二維聚合物，但由于反應(yīng)是可逆的，材料的化學(xué)和物理性質(zhì)不穩(wěn)定，分子結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞，并不實(shí)用?？傊?，要想找到強(qiáng)度極大、密度很小，穩(wěn)定且容易制備的二維聚合物材料，是件很難的事。

而本次發(fā)布的研究成果中，2DPA-1分子的生成卻是個(gè)不可逆的過(guò)程，制取工藝的可操作性好，最后形成的材料也具備很好的化學(xué)和物理性質(zhì)，可以制成強(qiáng)度極高的薄膜或片材，具備廣闊的應(yīng)用前景。那么這又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

原來(lái)，秘訣在于組成2DPA-1分子的兩種單體分子，一個(gè)是均苯甲酰氯，一個(gè)是三聚氰胺。你沒(méi)看錯(cuò)，后者就是那個(gè)2008年劣質(zhì)奶粉事件的主角三聚氰胺。這兩種分子的特點(diǎn)就是在一個(gè)環(huán)（苯環(huán)或氮環(huán)）上面有三個(gè)成120度角排列的分叉。

均苯甲酰氯和三聚氰胺聚合成2DPA-1

這些分叉在一定的條件下，可以自動(dòng)地按照一定規(guī)律組合在一起，形成一個(gè)類(lèi)似“石墨烯”的六邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)成一個(gè)圓盤(pán)狀的大分子。特殊的分子結(jié)構(gòu)決定了聚合過(guò)程基本上都會(huì)在同一平面內(nèi)完成，很少會(huì)出錯(cuò)，而且聚合反應(yīng)也是不可逆的，

在形成一層結(jié)構(gòu)之后，兩層分子之間還可通過(guò)氫鍵連接，于是便形成了這種比鋼材強(qiáng)度更大，卻比塑料密度更小的新型材料。2DPA-1制備起來(lái)也很方便，可以在溶液中自發(fā)反應(yīng)生成，很適合做薄膜或涂層，也可以做成片材。由于是二維分子結(jié)構(gòu)，這種薄膜可以完全阻止水和氣體透過(guò)。

2DPA-1材料形成的薄膜

很明顯，這一材料和技術(shù)在工業(yè)上有著巨大的前景，有可能帶來(lái)材料領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。完成這一成果的是麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系的邁克爾·斯特拉諾團(tuán)隊(duì)，而第一作者和主要貢獻(xiàn)人是Yuwen Zeng，聽(tīng)名字就像是一位中國(guó)人或華人。在該論文長(zhǎng)長(zhǎng)的作者列表中，也出現(xiàn)了很多中國(guó)名字。

而據(jù)ORCID網(wǎng)站上的信息，Yuwen Zeng是2015年在中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所獲得的博士學(xué)位，畢業(yè)后在所內(nèi)工作一年，隨后在2016年前往美國(guó)，先后在哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院做博士后，該論文就是以博士后身份發(fā)表的。由此基本可以認(rèn)定該研究者是中國(guó)人或華人。

論文作者列表中有許多中國(guó)名字

這一現(xiàn)象讓人馬君想起了另一件事：著名的信息提供商湯森路透集團(tuán)曾發(fā)布過(guò)一個(gè)“全球頂尖100位材料學(xué)家”榜單，是根據(jù)2000~2010年的論文發(fā)表和引用情況排出的，其中有15位華人科學(xué)家，而前6位居然全是華人，這6個(gè)人中有5位的本科畢業(yè)院校都是中科大，目前這5位學(xué)者的主要工作單位均在美國(guó)。

這樣的局面首先是讓人感到高興，畢竟這代表了華人的實(shí)力，無(wú)論如何是一件好事。但細(xì)想一下又有些惆悵：在我國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域，材料一直是短板，高端的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、芯片等產(chǎn)業(yè)經(jīng)常受限于材料短板，大量的高性能材料需要進(jìn)口，受制于人，與科學(xué)家排行榜上的盛景形成鮮明對(duì)比。

湯森路透集團(tuán)評(píng)選的2000~2010全球100位頂尖材料科學(xué)家，15位為華人

然而雖然我國(guó)在材料領(lǐng)域還有較大欠缺，但在高校里，生化環(huán)材卻一度被稱(chēng)為四大“天坑”專(zhuān)業(yè)，學(xué)生人數(shù)眾多，上學(xué)時(shí)科研任務(wù)極重，畢業(yè)后想找個(gè)待遇好的工作卻是難于登天，大量畢業(yè)生被迫轉(zhuǎn)行或出國(guó)。

造成這一現(xiàn)象的原因有很多，其中很重要的一條就是產(chǎn)學(xué)研不配套。高校科研都是為了發(fā)論文，發(fā)論文當(dāng)然就要追學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，研究國(guó)際上最新最熱門(mén)的東西。很可能在實(shí)驗(yàn)室做出一種新材料就可以發(fā)表一篇論文，然而這種材料在現(xiàn)實(shí)中卻可能毫無(wú)用處。

而我國(guó)工業(yè)界急需的是提高一些傳統(tǒng)材料的性能，例如鋼材的力學(xué)指標(biāo)，其中的難點(diǎn)是工藝上的認(rèn)識(shí)和突破，這種突破能實(shí)實(shí)在在的提高工業(yè)水平，卻并不是學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。這樣一來(lái)，學(xué)生掌握的技能與工業(yè)部門(mén)的實(shí)際需求就脫節(jié)了。

生化環(huán)材一度被稱(chēng)為“天坑”專(zhuān)業(yè)

況且就算是不脫節(jié)，傳統(tǒng)工業(yè)部門(mén)也沒(méi)那么多崗位和需求，科研院所又比較難進(jìn)。即使最終找到工作，其待遇和IT金融也沒(méi)法兒比，吸引力很弱。畢業(yè)生的出路不暢，很多人轉(zhuǎn)行，而其中一些比較優(yōu)秀的人就選擇了出國(guó)。

以美國(guó)為例，憑借著大量科研經(jīng)費(fèi)，可以養(yǎng)活很多研究者，而這些專(zhuān)業(yè)又不太受美國(guó)本地學(xué)生待見(jiàn)，自然成為中國(guó)留學(xué)生的較好歸宿。很多優(yōu)秀的人才就這么遠(yuǎn)走國(guó)外，并且留在了那里，并通過(guò)自身努力做出了成果。如何打破“天坑”專(zhuān)業(yè)的魔咒，留住人才，真正提高我國(guó)在材料領(lǐng)域的實(shí)力，仍是一個(gè)值得探討的課題。