——訪中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員韓志超
 

 
    韓志超 中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員，高分子物理與化學(xué)國家重點實驗室主任，清華大學(xué)雙聘教授，主持國家自然科學(xué)基金重大項目和國家大型科學(xué)儀器中心——中子散射譜儀中心建設(shè)工作；《Polymer》亞洲區(qū)主編。

    韓志超研究員1966年畢業(yè)于臺灣大學(xué)化工系，獲美國威斯康辛大學(xué)博士，曾任美國國家標準與技術(shù)局研究科學(xué)家、美國國家標準與技術(shù)局共混高分子研究團隊主任、美國國家標準與技術(shù)局首席研究員等職務(wù)。主要研究方向是光散射技術(shù)、中子散射與反射技術(shù)及X射線散射技術(shù)在高分子中的應(yīng)用；高分子試驗統(tǒng)計物理學(xué)；高分子稀溶液、亞濃溶液及濃溶液中的高分子動力學(xué)；高分子混合物中的相行為、相分離動力學(xué)、結(jié)晶動力學(xué)、剪切依賴性及其在加工中的應(yīng)用等，在SCI收錄的各類期刊和論著中發(fā)表研究論文300余篇，專利20余項。
 

我國研發(fā)的尖端高分子復(fù)合材料應(yīng)用于航空事業(yè)已有20多年的歷史，目前此種材料在民用客機中的用量達10％～20％。

    20世紀后半期，高分子材料在用量上已超過金屬與陶瓷材料，成為人們衣、食、住、行等生活中不可或缺和替代的材料。高分子材料覆蓋了從醫(yī)用到食品，從包裝、家居到交通工具等各個領(lǐng)域，但其也帶來了環(huán)保及回收方面的問題。

    進入21世紀，面對全球性的環(huán)境、能源、醫(yī)藥等諸多挑戰(zhàn)，高分子材料將更加凸顯其輕質(zhì)、多功能等特點，在能源、水資源、石油資源的可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境保護等方面提供更多的解決方案，但這同時也對高分子科研及發(fā)展提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

    記者：聚烯烴材料的研究熱點與未來方向是什么？我國聚烯烴技術(shù)基礎(chǔ)研究和工程化進展情況如何？

    韓志超：聚烯烴的合金化、高性能化及多樣化是主要的發(fā)展方向。雖然天然及可降解高分子材料研究在近十幾年來取得了許多進展，但在市場應(yīng)用上仍然僅限于一些簡單的包裝及一次性用品上，其原因既有價格問題，也有消費者的習(xí)慣問題。在結(jié)構(gòu)高分子材料方向，聚烯烴的合金化、高性能化及多樣化成為我們在汽車、軌道交通及家電、居家建筑材料等家用材料領(lǐng)域的主要選擇。

    聚烯烴的合金化可以獲得聚烯烴釜內(nèi)合金材料。聚烯烴釜內(nèi)合金材料的設(shè)計與合成，涵蓋了催化化學(xué)、聚合工程學(xué)、高分子物理學(xué)等一系列學(xué)科內(nèi)容，也代表了一個國家石化技術(shù)的發(fā)展水平。目前國際各大石化公司和科研機構(gòu)都以聚烯烴釜內(nèi)合金催化劑和聚合工藝的研發(fā)作為占據(jù)高性能石化產(chǎn)品合成領(lǐng)域高點的重要策略，其科研投入巨大，新技術(shù)、新產(chǎn)品層出不窮。然而，我國聚烯烴釜內(nèi)合金的基礎(chǔ)和工程化研究均處于起步階段，要想成功突破國外專利技術(shù)封鎖、獲得自主創(chuàng)新的聚烯烴釜內(nèi)合金技術(shù)，面臨極大挑戰(zhàn)。

    記者：高分子材料在太陽能高效利用方面有什么獨特優(yōu)勢？

    韓志超：聚合物太陽能電池的發(fā)展將為高分子材料提供新的應(yīng)用空間。太陽能作為大有前途的清潔能源，其有效開發(fā)利用的關(guān)鍵在于電池材料。目前太陽能電池應(yīng)用技術(shù)分為兩大類，即晶體硅片和薄膜。盡管眼下薄膜太陽能電池的市場份額不到10%，但這種新的薄膜半導(dǎo)體有望很快找到它的特殊應(yīng)用市場。高分子材料因為具有質(zhì)量輕、柔韌易加工、制作工藝簡單、成本低、可大面積制備等突出優(yōu)點，在太陽能電池材料中極具競爭力。

    自從在本體異質(zhì)結(jié)器件中發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)后，聚合物太陽能電池得到了較大的發(fā)展。這種類型的太陽能電池結(jié)構(gòu)由Heeger小組在1995年提出，之后的10多年里，給體/受體本體異質(zhì)結(jié)器件已成為聚合物太陽能電池研究的主流。文獻報道的最高能量轉(zhuǎn)換效率到2009年時已達到6.77%。但是相對于無機半導(dǎo)體太陽能電池而言，效率還很低，而且性能不夠穩(wěn)定。

    為了提高其能量轉(zhuǎn)換效率，眾多的科學(xué)家從材料合成、器件結(jié)構(gòu)、器件制備等角度入手，對聚合物太陽能電池相關(guān)材料和器件進行了深入研究，目前研究熱點是聚合物光伏材料的設(shè)計與合成，可編程系統(tǒng)芯片（PSC）器件結(jié)構(gòu)的改進，制備過程和界面修飾及其他因素對界面、光敏活性層形態(tài)和器件性能的影響，PSC光電轉(zhuǎn)換機理等，希望最終獲得高能量轉(zhuǎn)化效率的PSC器件。而作為聚合物太陽能電池的主要組成部分，光敏活性層材料的改進、尤其是共軛聚合物光伏材料的結(jié)構(gòu)和性能改進是PSC研究的一個重點。

    近年來，大量用于光敏活性層的共軛聚合物材料被設(shè)計、合成出來，并被應(yīng)用到光伏器件中。目前國際上聚合物太陽能電池領(lǐng)域的研究十分活躍，新一代光伏技術(shù)開發(fā)在美國國防先進研究項目局（DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）的簡稱，的支持下得到了很大發(fā)展，結(jié)合Michael Graetzel博士開發(fā)的“燃料激活”電池和Alan Heeger博士開發(fā)的聚合物電池兩種技術(shù)的新一代光伏電池，被認為是繼晶體硅和薄膜光伏電池后的第三代光伏電池，有望開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率達到或者超過20%的低成本薄膜電池。國內(nèi)在聚合物太陽能電池方面的研究起步較晚，但是目前許多科研機構(gòu)在從事這方面的研究。

宇航員穿的太空服，既要耐高溫又要防輻射，這離不開高強度高模量的高分子材料。

    記者：聚合物太陽能電池發(fā)展還需要攻克哪些技術(shù)瓶頸？

    韓志超：聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率與硅基太陽能電池相比還比較低，這也是聚合物太陽能電池市場化的瓶頸。這迫切需要我們合成效率較高的光伏材料，并完善光伏材料和太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機制和相關(guān)理論。只有將光電轉(zhuǎn)換效率提高，增加穩(wěn)定性，才可能大規(guī)模應(yīng)用。

    目前太陽能電池的總體價格主要受兩個因素影響：材料成本及加工過程成本。相比把材料加工成幾百納米厚的器件的過程成本而言，材料本身的成本并不算太高。有機半導(dǎo)體可以通過印刷技術(shù)將溶液加工成大面積的薄膜。這些技術(shù)本身也比較便宜，并且比較容易實現(xiàn)。

    從影響太陽能電池效率的因素考慮，目前太陽能電池效率不高主要是由于使用的共軛聚合物存在太陽能光吸收效率低和電荷載流子傳輸效率低的問題。可通過分析和優(yōu)化聚合物溶液結(jié)構(gòu)及分散程度，得到均勻的薄膜結(jié)構(gòu)。通過分析器件的微相結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)在給體-受體復(fù)合層中形成帶微相分離的連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)，連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了載流子分離并在相應(yīng)電極收集的途徑，因此可通過給體和受體的相形態(tài)來促進高效的聚合物太陽能電池和高效的光電探測器的設(shè)計和制作工藝。

用高分子合金材料與彩色烤漆制作而成的彩色鑰匙,既美觀又耐用。

    記者：醫(yī)用高分子材料帶動了功能性高分子產(chǎn)業(yè)鏈的深化發(fā)展，這主要表現(xiàn)在哪些方面？

    韓志超：生物醫(yī)用材料是人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，迄今已有幾千年的發(fā)展歷史，而生物醫(yī)用高分子作為生物醫(yī)用材料中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛、用量最大的材料，鑒于其具有原料來源廣泛、可以通過分子設(shè)計改變結(jié)構(gòu)、生物活性高、材料性能多樣等優(yōu)點，是目前發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域，已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)療材料中的主要部分。

    對醫(yī)用高分子材料的深入研究不但對探索人類生命奧秘具有重大意義，也可以帶動功能性高分子產(chǎn)業(yè)鏈的深化發(fā)展。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進步已經(jīng)越來越依賴于生物材料器械的發(fā)展，醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用更加廣泛，需求量也隨之越來越大。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

    一是用于人造器官，如心臟瓣膜、人工腎、人造皮膚、疝氣補片等。我國在此領(lǐng)域起步較晚，僅在初級的組織工程支架材料方面投入較大，浙江大學(xué)、清華大學(xué)、中科院成都有機所等均有課題小組進行相關(guān)研究，他們通過多層復(fù)合、共聚等手段將聚乳酸、聚乙內(nèi)酯、海藻酸鈉等生物相容性材料制備成支架材料，但僅考察了其潛在應(yīng)用價值，距離實際使用仍有漫長的道路要走，尤其是完整的人工器官研發(fā)還完全處于仿制階段，缺乏自主創(chuàng)新的產(chǎn)品。

    二是用于醫(yī)療器械，如手術(shù)縫線、導(dǎo)尿管、檢查器械、植入器械等。目前的手術(shù)縫線多數(shù)來自于絲素蛋白，其纖維不但具有優(yōu)良的生物相容性，也具有良好的力學(xué)強度；而可吸收縫線則主要采用聚乳酸，我國目前已經(jīng)可以完全自主生產(chǎn)這幾種縫線，同時在國內(nèi)擁有較大的市場份額。植入防粘連材料、外用抗菌傷口包覆材料我國也有多個研究小組投入研究，開發(fā)的聚乳酸防粘連薄膜、銀離子納米抗菌敷料等均已獲得中國國家食品藥品監(jiān)督管理局許可進入市場。

    三是用于藥物助劑，如藥物控釋載體、靶向材料等。我國在這方面的研發(fā)位于世界前列，中科院長春應(yīng)化所研究人員利用靜電紡絲技術(shù)制備的聚乳酸超細纖維可以包埋油溶、水溶藥物，同時實現(xiàn)控制釋放。中科院化學(xué)所研究人員通過調(diào)節(jié)嵌段聚合物的組成及比例，有效控制了材料的降解時間；通過修飾聚合物功能基團制備的微球作為藥物載體，能夠?qū)崿F(xiàn)隨溫度、pH值變化的選擇性釋放；通過將放射性核素與纖維膜材料聯(lián)合，實現(xiàn)了術(shù)后防粘連和滅殺殘余腫瘤細胞的雙重功效。

    記者：我國醫(yī)用高分子材料技術(shù)處于什么水平？未來的重點攻關(guān)方向有哪些？

    韓志超：從科研人員在國際期刊發(fā)表的論文檔次及引用頻率來看，我國在某些生物醫(yī)用材料領(lǐng)域已達到國際前沿水平。然而由于醫(yī)用高分子材料的研發(fā)周期一般較長，需要經(jīng)過體外實驗、動物實驗、臨床實驗等不同階段的實驗，材料市場化需要經(jīng)過國家藥品和醫(yī)療器械檢驗部門的批準，且報批程序復(fù)雜、費用高，所以生物材料的研發(fā)成本高、風(fēng)險大，我國醫(yī)用高分子材料的生產(chǎn)水平實際上依然十分低下，處于產(chǎn)量低、品種少、規(guī)格不全、且質(zhì)量差、水平低的境地。

    隨著科學(xué)的發(fā)展，新的材料不斷推出，不但要認真研究新材料的生產(chǎn)安全性和使用范圍，更重要的是從借用和改性逐漸深入分子設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計層次開發(fā)新材料，同時也要結(jié)合實際臨床需要，克服醫(yī)用材料研發(fā)周期長，見效慢等缺點，真正做到產(chǎn)、學(xué)、研三者結(jié)合，推動我國醫(yī)用高分子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為中國的化學(xué)品研發(fā)開拓新方向。

    記者：為解決水資源危機，水處理技術(shù)所需的高分子膜材料的未來發(fā)展方向是什么？

    韓志超：高分子材料在水資源領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用是膜法水處理技術(shù)。膜法水處理技術(shù)是凈化污水，再生水資源的一個有效途徑，具有分離效率高、能耗低、占地面積小、過程簡單、操作方便、無污染等特點。自上世紀60年代開始大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用以來，膜技術(shù)發(fā)展十分迅速，其品種日益豐富，包括反滲透膜、納濾膜、超濾膜和微濾膜等主要品種。微濾膜孔徑0.1微米～1微米，能截留懸浮物、細菌、部分病毒及大尺度膠體；超濾能截留0.005微米～0.1微米的顆粒和雜質(zhì)，能有效阻擋住膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子有機物；納濾膜孔徑1納米～10納米，能去除細菌、病毒及二價離子；反滲透是最精密的膜法液體分離技術(shù)，它能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于100的有機物，而允許水分子透過，但同時需要能量的消耗來達到反滲透的效果。

    我國膜分離技術(shù)從上世紀60年代反滲透膜的研究開發(fā)，到70年代各種膜及相應(yīng)膜組件的開發(fā)研究，再到80年代膜分離技術(shù)跨入實際應(yīng)用，取得了巨大進展。目前全國膜科學(xué)與技術(shù)的研究與開發(fā)單位已有上百個，中科院許多研究所也相繼開展了膜技術(shù)方面的研究。大連化學(xué)物理所、上海應(yīng)用物理所等單位分別與公司合作成立了膜技術(shù)研究中心，將產(chǎn)研結(jié)合，不斷研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的膜技術(shù)，開發(fā)超濾、反滲透等膜組件并推向大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的分離膜大多是復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，基本選用以浸沉凝膠相轉(zhuǎn)化制備的聚砜膜作為支撐層，個別選用拉伸法制備的聚丙烯薄膜。中科院化學(xué)所在復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備方面也開展了相關(guān)研究，利用電紡納米纖維膜具有超大比表面積和孔隙率的特點，以其作為復(fù)合膜支撐層設(shè)計了不對稱梯度膜結(jié)構(gòu)，初步結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的設(shè)計有利于提高膜的過濾效率，但此方法尚處于實驗室階段。
   

不論是既堅固又柔韌的防彈衣還是耐高溫的消防服，均離不開高分子材料。