Перевод статьи с сайта ChemistryViews
Статья «Будущее исследований полимеров глазами 54 ученых» опубликована в журнале «Macromolecular Chemistry and Physics» и представляет собой особенный обзор, который был написан необычным образом. Идея создания статьи возникла во время ужина на Макромолекулярном коллоквиуме в Фрайбурге, Германия, в феврале 2020 года. Авторы статьи, Лаура Хартманн, Майкл А. Р. Майер и Мара Стаффилани, собрали мнения и взгляды 54 авторов из 14 стран, включая всю редакционную коллегию журнала, и представили их в легко читаемой форме. Статья содержит множество цитат всех авторов, отражающих будущее науки о полимерах и текущее состояние этой области.
Главные будущие тенденции в науках о полимерах включают разработку и открытие полимеров с новыми свойствами и применениями, полимеров для устойчивой и циркулярной экономики, а также открытие новых методов синтеза. В статье обсуждаются вопросы устойчивости, подчеркивая, что макромолекулярные науки и технологии должны предоставлять устойчивые решения глобальным вызовам. Это включает в себя своевременные действия для предотвращения дальнейшего ущерба на протяжении всего жизненного цикла продуктов.
В статье также отмечается, что наука о полимерах имеет огромный нераскрытый потенциал, и авторы предлагают взгляд в будущее, в котором полимерная наука будет продолжать развиваться и предлагать новые решения для современных технологических и экологических вызовов.
Журнал Macromolecular Chemistry and Physics только что опубликовал перспективную статью «Следующие 100 лет науки о полимерах». Статья особенная не только потому, что она дает широкий обзор этой области, но и из-за того, как она была написана. Идея родилась во время ужина на Макромолекулярном коллоквиуме во Фрайбурге, Германия, в феврале 2020 года Лаурой Хартманн, Михаэлем А.Р. Мейером и Марой Стаффилани.
Им троимw удалось собрать взгляды и мнения 54 авторов из 14 стран, всей редакции журнала и облечь все в удобочитаемую форму. Статья содержит множество цитат всех авторов, размышляющих о будущем науки о полимерах и о том, где эта область находится сегодня.
Лаура Хартманн — профессор Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия, и интересуется макромолекулами с определенной последовательностью и полимерными биомиметиками. Михаэль А.Р. Мейер — профессор Технологического института Карлсруэ (KIT), Германия, специализирующийся на устойчивой химии полимеров и макромолекулах с определенной последовательностью. Мара Стаффилани является заместителем редактора отдела макромолекулярной химии и физики и получила докторскую степень. Степень магистра физической химии в Амстердамском университете, Нидерланды, под руководством Луизы Де Кола.
1. Введение
Вся редакционная коллегия, международная группа ученых-полимерщиков из различных областей, внесла свой вклад в подготовку статьи и поделилась своими идеями и мнениями. Клаус Мюллен, почетный директор Института исследований полимеров Макса Планка в Майнце, Германия, и один из авторов статьи, рассказал ChemistryViews , что «уточнение собственной точки зрения относительно будущего нашей области и сверка ее с мнением моих коллег » — вот что ему особенно понравилось в работе над статьей. И он был удивлен, «насколько хорошо «срослись» усилия», добавив, что «это, возможно, произошло благодаря огромным усилиям редакторов».
Так же думает и Майкл А.Р. Мейер. «Конечно, у каждого своя специальность, у всех разные предпочтения и взгляды. Весьма удивительно, что мы, как сообщество, по существу согласны с нашими задачами на ближайшие годы — можно даже сказать, десятилетия». По его мнению, статья в этом смысле уникальная. Однако, как он подчеркивает, это тоже была большая работа, особенно для Мары Стаффилани, чтобы собрать все воедино. Лаура Хартманн добавляет: «Это была отличная командная работа, и мы надеемся, что наша мотивация и волнение при составлении статьи теперь передаются читателям».
Чуанбин Тан, химик-синтетик, работающий над устойчивыми полимерами биологического происхождения, биоматериалами и металло-полиэлектролитами в Университете Южной Каролины, Колумбия, США, и еще один автор статьи также были приятно удивлены, «что существует сильная синергия между общие проблемы». Тем не менее, он скептически относится к прогнозам на ближайшие 100 лет; «У меня есть твердое убеждение, что мы, даже вместе, не сможем предсказать эволюцию науки о полимерах на следующие 100 лет. Я предполагаю, что большинство наших прогнозов могут оказаться верными на следующие 2–3 десятилетия. Кто знает, что будет потом? В этом и есть красота науки. Наука о полимерах не является исключением благодаря своему огромному неизвестному потенциалу».
2. Основные будущие тенденции в науке о полимерах
Чтобы выяснить, какое будущее ждет науку о полимерах, консультативный совет и редакторы журнала « Макромолекулярная химия и физика» задали себе вопрос, какими могут быть наиболее важные темы в этой области в будущем. Они рассмотрели научные заслуги и общественную пользу и определили три основных направления: Почти половина авторов пришли к выводу, что разработка и открытие полимеров с новыми свойствами и применением станет одной из наиболее важных тем будущего. За этим последовали полимеры для устойчивой экономики замкнутого цикла и открытие новых методов синтеза.
2.1. Новые методы синтеза, улучшенные свойства и функции.
В статье один из примеров одного из наиболее важных новых методов синтеза в науке о полимерах предоставлен Михаэлем Р. Бухмайзером, Штутгартским университетом и председателем правления Немецких институтов текстиля и волокна. Исследования (TITF), Денкендорфа, который считает, что: «Ионы металлов (кислота Льюиса) способствовали двойному или, что еще лучше, безметалловому регио- и, возможно, стереоселективному органокатализу с использованием (защищенных) N -гетероциклических карбенов (NHC) и N -гетероциклических олефины (NHO), соответственно, скорее всего, приобретут дальнейшее значение. Таким образом, например, уже стали доступны недоступные до сих пор высокомолекулярные полиэфиры.
Конечно, в статье говорится о цифровизации синтеза, его сочетании с алгоритмами машинного обучения, синтезе полимеров, позволяющих хранить цифровые данные внутри макромолекулярной цепи. Например, Клаус Мюллен предполагает, что «помимо классических вопросов о том, как производить полимеры и как избавиться от них, искусственный интеллект и машинное обучение будут глубоко влиять на все протоколы, с помощью которых мы проводим исследования, в том числе и в науке о полимерах. Нетрадиционные применения, такие как органическая генерация, спинтроника, сенсорика, вычисления, а также тераностика и трансфекция генов, потребуют адекватных полимеров». По этой причине он считает, что «упадок имиджа науки о полимерах не будет продолжаться; произойдет определенное возрождение».
Это предположение подтверждается и другими вопросами. Благодаря своей универсальности функции полимеров будут продолжать развиваться для дальнейшего удовлетворения наших технологических потребностей, например, в автоматизации, цифровизации, новых концепциях мобильности, биомедицине или освоении космоса. По мнению авторов, высокотехнологичные устройства, которые мы используем каждый день, возможны только благодаря концепциям и специальным полимерным материалам. Хольгер Фрей, профессор органической и макромолекулярной химии Университета Майнца, пишет в статье: «Узкоспециализированные полимеры с специфической функциональностью станут «обеспечивающими компонентами» для многих ключевых технологий».
В настоящее время исследуются такие функции, как быстрое биоразложение по требованию, программируемость, формуемость, адаптируемость и самовосстановление. Кристоф Ведер, профессор химии полимеров и материалов в Институте Адольфа Меркла Фрибурского университета, Швейцария, подозревает, что «разработка мультичувствительных полимерных систем и их внедрение в передовые технологии будут важными аспектами этой области на десятилетия вперед». ».
Мириам М. Унтерласс, доцент кафедры химии органических материалов в Венском техническом университете, Австрия, описывает в статье, что будут разработаны совершенно новые полимеры и материалы с новыми функциями: «Новые усовершенствованные полимерные материалы будут демонстрировать свойства, которые классически обнаруживаются только в пространства материалов, например, металлов или керамики, и это будет достигнуто путем объединения контроля над порядком/беспорядком (локально и глобально) в сложных полимерных комбинациях, которые являются нано-/микроструктурированными».
Лаура Хартманн, цитируя статью, отмечает, что две темы синтеза и функционирования часто тесно связаны между собой: создавать новые материалы с конкретными функциями, применяя доступный набор инструментов».
2.2. Устойчивость
Авторы согласны с тем, что макромолекулярная наука и технология должны обеспечить устойчивые решения глобальных проблем. Сюда входят своевременные действия по предотвращению дальнейшего повреждения на протяжении всего жизненного цикла продукции. Повышение устойчивости требует переосмысления существующих методов производства полимеров, потребления полимеров и судьбы материалов в конце их жизненного цикла.
Чуанбин Тан пишет: «Пионеры [науки о полимерах] никогда не предполагали, что полимеры могут иметь гораздо более сложные последствия для эволюции общества, особенно за счет окружающей среды и изменения климата».
Брент С. Сумерлин из Университета Флориды, США, добавляет в статье: «Во многих отношениях иронично то, что многие из проблем устойчивого развития, с которыми сегодня сталкиваются ученые-полимерщики, возникают из-за того, что ученые-полимерщики вчерашнего дня слишком хорошо выполняли свою работу. Наши предшественники разработали инновационные пути к материалам, которые, возможно, слишком прочны, служат слишком долго и производятся из слишком недорогих ресурсов. Одна из ключевых обязанностей сообщества полимеров во втором веке — продолжать инновации посредством творческой химии, не забывая при этом уроков прошлого».
Кристофер Барнер-Коволлик, научный сотрудник-лауреат Австралийского исследовательского совета (ARC) Квинслендского технологического университета (QUT), продолжает: «Снижение экологических издержек и ущерба, связанных с синтезом, использованием и осаждением полимеров после жизненного цикла, требует критические инновации в области устойчивого жизненного цикла полимеров. Соответствующие темы исследований становятся очевидными, если проследить за судьбой полимерных продуктов. К ним относятся, среди прочего, технологии разборки, методы переработки и обращение с пластиковыми отходами, включая химическую идентификацию, хранение, разделение полимеров и разложение при сжигании или компостировании. Прослеживаемое управление продукцией особенно необходимо для товарных полимеров, чтобы преодолеть «запертый» статус-кво».
Цзяинь Юань, профессор химии материалов в Стокгольмском университете, Швеция, добавляет в статье, что «биоразлагаемые полимеры никогда не рассматривались так серьезно, как сейчас, из-за проблем с микропластиком в почве и океане». А Майкл А.Р. Мейер предупреждает, что «возобновляемости недостаточно, и необходимо строго избегать переноса нагрузки на окружающую среду».
Майкл А.Р. Мейер заявил ChemistryViews , что «если бы мы захотели и, прежде всего, если бы мы были готовы взять в свои руки достаточно денег, мы могли бы начать переход на возобновляемые полимеры в течение переходного периода продолжительностью около десяти лет». Технологии есть, некоторым из них уже десятки лет. «Конечно, некоторые вещи придется доработать или оптимизировать. Но проблема в том, что ПЭ и ПП [полиэтилен и полипропилен] слишком дешевы».
Он приветствует тот факт, что в настоящее время, похоже, интерес потребителей к возобновляемому сырью снова возрос как положительная тенденция. Это стимулирует рынок, и исследовательские институты получают целевые запросы компаний и просьбы о сотрудничестве. Однако быстрые изменения могут быть предотвращены, поскольку компании не видят, насколько больше потребитель готов платить, предполагает Майкл Мейер. Он в шутку добавляет: «Литр бензина должен стоить 5 или 10 евро, тогда многие проблемы сразу решатся».
Клаус Мюллен рассказал ChemistryViews , что он опасается «растущего разрыва между промышленными и академическими исследованиями полимеров», когда смотрит на инновации. «Для промышленности такие функции, как проектирование и обработка, маркетинг, затраты и т. д., кажутся более актуальными, чем любой прогресс, основанный на химии. Понятно, что промышленность делает то, что входит в ее основную компетенцию». Однако он считает, что «существует опасность того, что она [отрасль] будет отделена от более «горячих» областей, таких как печатная электроника, тераностика, персонализированная медицина или даже передовые компьютерные технологии. Тогда в лучшем случае он предоставит полиамидную коробку для устройства, в то время как реальная добавленная стоимость достается другим».
3. Заключение
«Для нас будущий мир без полимеров немыслим», — резюмируют 54 автора в конце своей статьи. Они добавляют длинный список применений, в которых полимеры играют важную роль в нашей повседневной жизни. Таким образом, они могут с уверенностью смотреть в будущее, в котором «этот общественный «рыночный пул» будет держать нас занятыми, по крайней мере, в обозримом будущем, а полимерная промышленность и связанный с ней рынок труда изменятся, но продолжат быть продуктивными и полными трудовых ресурсов». возможности.»
Но авторы также призывают себя к действию и пишут в статье: «Мы должны инвестировать в нашу область и продолжать общаться, а также заботиться о нашей разнообразной, многоязычной и междисциплинарной области». Имея это в виду, Лаура Хартманн надеется, «что наша статья достигнет широкой аудитории в сообществе полимеров, но также и за его пределами».
