聚合物时代的诞生

化学初学者很快就会发现混合物和化合物之间有重要的区别。向硫和铁的混合物中加入稀酸会产生氢气。首先加热铁硫混合物，然后用同样的酸处理得到的化合物，产生一种不同的气味。到目前为止，很简单，但在许多情况下，很难区分混合物和化合物。

很长一段时间以来，许多自然存在的有机物质似乎很难分类。在标准的实验室溶剂中，它们倾向于形成浑浊的悬浮液，而不是最终可能沉淀出成分明确的晶体的清晰溶液。但100年前，德国化学家赫尔曼·施陶丁格(Hermann Staudinger)大胆地提出，这些有问题的物质中有许多是真正的化合物，由极大的分子组成。

大多数同时代的人不同意这种观点，他们认为施陶丁格所谓的“大分子”不过是小分子松散相连的集合体。但最终他的观点占了上风，他获得了1953年的诺贝尔化学奖。就在第二年，聚丙烯加入了聚乙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯的行列，加入了市售聚合物的行列。仅在2015年，就有大约25亿吨产生了四种聚合物．

自Staudinger第一次向持怀疑态度的观众提出他的观点以来的一个世纪里，大分子和由大分子制成的产品已经成为全世界每个人日常生活的一部分。对一些人来说，它们仍然是一种神奇的材料，但对另一些人来说，它们是一种担忧。

早期的生活

德国莱茵兰的中世纪城市沃尔姆斯在几次法德战争中激烈易手，但1881年赫尔曼·施陶丁格在那里出生时，沃尔姆斯是一个安静的省城，为他的早期教育提供了一个宁静的环境。赫尔曼的父亲是一名高中教师、新康德主义哲学家和德国社会民主党成员，他鼓励儿子对植物学感兴趣，但也建议他学习一些化学。

1899年离开学校后，赫尔曼在达姆施塔特和慕尼黑学习科学，1903年在哈雷大学获得博士学位，并发表了一篇关于有机化学的论文。随后，他在斯特拉斯堡担任约翰内斯·蒂勒(Johannes Thiele)的助理，同时继续从事自己的研究。这促使他研究了一个以前不为人知的高活性有机化合物家族——烯酮，并发表了大量关于它们化学性质的文章。

1907年，施陶丁格被任命为Karlsrühe大学的有机化学教授，1912年，他接替了后来的诺贝尔奖得主理查德·Willstätter，在苏黎世的瑞士精英联邦理工学院任教。在那里，赫尔曼和他的妻子多萝西娅加入了一个由神学教授莱昂哈德·拉格兹召集的和平组织。多萝西娅是一位福音派牧师的女儿，是一位坚定的社会主义者和和平主义者。这对夫妇于1906年结婚，有四个孩子。

第一次世界大战开始时，德国顶尖科学家签署了一份宣言，支持他们国家的战争目标。施陶丁格没有加入他们。1917年，他(通过对经济数据的分析)得出结论，德国不可能赢得战争，并建议立即进行和平谈判。作为回应，德军最高统帅部邀请他回国，帮助制造新的化学武器，以确保胜利。相反，他选择在苏黎世继续自己的研究。

一个巨大的突破

到1917年，斯托丁格转向了一个被许多学院派化学家所回避的领域。试图从乱七八糟的动物或植物产品中提取出具有明确配方的纯物质是一项乏味而无回报的活动——研究人员使用更合作的材料，轻蔑地将其斥为“油脂化学”。然而，其中一种令人尴尬的物质正引起一些人的注意。

充气轮胎的发展使橡胶成为一种重要的商品，而军事运输的摩托化使得确保橡胶供应(或一种可接受的替代品)成为战略重点。19世纪英国和法国化学家发现，天然橡胶是异戊二烯(C₅H₈)，并于1909年在德国生产了一种合成版本。在第一次世界大战期间，一些战斗人员使用了橡胶替代品，由于担心天然来源无法满足日益增长的需求，研究在后来继续进行。

斯托丁格在这一活动的工业层面上几乎没有发挥作用，他的发现也很少获得专利。他主要担心的是这些有问题的聚合物的化学成分。1920年，他发表了一篇开创性的论文——题目很简单超级聚合(最近才翻译成英语——在书中，他认为橡胶(以及许多其他天然产品)组成的分子比之前猜测的要大得多。不久之后，他开始称它们为“makromolekülen”。

欧洲的主要化学家，如德国的卡尔·哈里斯和瑞士的保罗·卡勒，长期以来一直认为，橡胶、纤维素和蛋白质等天然材料是由相对较小的分子聚集体组成的，它们通过比正常价键弱的分子间作用力松散地连接在一起。他们认为相对质量大于5000个单位的单个分子一定是不稳定的，并且在合成时会自发分解。然而，Staudinger认为，仅由正常化学键连接的聚合物的分子质量可以以百万计。

解决这一争议是困难的，因为在标准的实验室溶剂中，这些物质——即使是纯的——通常会形成胶状悬浮液而不是溶液。因为这些胶体不符合拉乌尔定律在美国，通过测量凝固点降低或沸点升高，不可能获得其组成分子相对质量的可靠值。1920年，斯托丁格的论文缺乏确凿的证据——要得到它需要付出很多努力和独创性。

激烈的批评

聚合理论的捍卫者认为，橡胶的独特性能是由其组成单位中众多的双价键产生的分子间微弱的吸引力造成的。这个想法是有先例的——Staudinger的前导师约翰内斯·蒂勒(Johannes Thiele)研究了富含双键的有机化合物，并通过引用“部分价”解释了它们的一些令人费解的性质。1922年，Staudinger和他的助手通过氢化橡胶来打开它的双键来验证这一假设。

由此产生的“水橡胶”保留了其弹性特性，在标准溶剂下，它仍然产生胶状悬浮液，而不是溶液。显然，氢化作用并没有破坏假设的聚集体。但批评他的人仍然不相信，1926年施陶丁格回到德国时，他受到了强烈的挑战。

他在弗莱堡大学的新任命引起了双重争议。对许多人来说，他的战时和平主义和他的大分子思想一样令人反感。曾策划德国毒气军事部署的诺贝尔奖得主弗里茨•哈伯(Fritz Haber)在两条战线上都猛烈抨击了他。施陶丁格在接受弗莱堡主席的职位时，一定料到会有一些敌意。但他几乎没有预见到，1933年的纳粹政变将他的事业、他的自由——甚至他的生命——置于危险之中。

斯托丁格存活下来的代价是政治上的沉默

搬到弗莱堡也标志着施陶丁格第一段婚姻的结束。多萝西娅带着孩子留在苏黎世，后来嫁给了一个共产主义者。1927年，赫尔曼与拉脱维亚生物学家玛格达·沃伊塔(Magda Voita)结婚。沃伊塔在植物生理学(尤其是细胞壁膜)方面的研究与赫尔曼非常相似。玛格达成为了他一生的合作者，并监督了他死后出版的全部作品。

让数据来说话

为了说服他的批评者，Staudinger寻求更多关于胶体悬浮液的数据，许多天然产物在标准溶剂下形成。最近，在对布朗运动的研究中出现了一种新的研究方法，布朗运动是指几乎无法探测到的胶体粒子受到看不见的溶剂分子的随机冲击。阿尔伯特·爱因斯坦(当时是瑞士公民)和波兰物理学家玛丽安·斯摩卢乔斯基的计算，再应用到法国物理学家让·佩兰的观测中，现在有可能估计这些粒子的质量。

然而，Staudinger还不能证明胶体粒子是独立的大分子，而不是他的对手所假设的聚合体。对通过渗透压测量计算出的胶体分子质量也有类似的反对意见。因此，在20世纪20年代，Staudinger的团队开始用苯乙烯等有机分子合成他们自己的聚合物。

通过改变给定单体的反应条件，他们生成了一系列可以像同源系列一样排序的产物。他们从已知成分的简单物质开始，逐步扩大到更复杂的物质，建立了粘度和分子质量之间的关系，现在被称为Staudinger定律。他们发现这种相关性很复杂，因为粘度受到分子几何形状和质量的影响。

虽然Staudinger的结果在20世纪20年代的德国化学会议上被广泛讨论，但它们未能说服像有机化学家鲁道夫·帕默勒(Rudolf Pummerer)这样坚定的聚集理论捍卫者。x射线晶体学家赫尔曼·马克(Herman Mark)更赞同大分子理论，但直到后来的x射线观测开始支持这一理论，他才信服。然而，在化学工业中，Staudinger的粘度测定技术被广泛采用。

同时，由超离心机这是瑞典物理化学家Theodor Svedberg于1923年在美国威斯康星大学担任访问教授时发明的仪器。回到瑞典后不久，斯维德伯格证明，将胶体置于比地球引力大数千倍的离心力下，可以加速胶体颗粒的沉降。这使他能够分离出纯物质，并通过比较沉积速率来估计它们的分子质量。

1924年，斯维德伯格发现血红蛋白分子的相对质量约为68,000个单位。1928年，他把血色素(蜗牛的血液色素)的分子质量计算出来螺旋pomatia)，约500万。虽然他的研究结果支持Staudinger的理论，但斯维德伯格并没有在他的出版物中指出这一点。施陶丁格自然很想拥有自己的超级离心机，但他无法筹集到必要的资金。

业界注意到了

与此同时，美国的化学研究得到了工业界的慷慨支持。杜邦化学公司有一个创新实验室，1928年，一位年轻的美国化学家华莱士·卡罗瑟斯辞去了哈佛大学的教职，在那里从事聚合物研究。他发现施陶丁格的理论很有吸引力，尽管这些理论的证据还没有确凿的证据。然而，在杜邦，卡罗瑟斯专注于由缩合反应驱动的聚合反应，通过测量这些反应产生的水的数量，他估计出了所产生的大分子的大小。不幸的是，卡罗瑟斯患有抑郁症，1937年，41岁的他结束了自己的生命。

卡罗瑟斯的研究导致了尼龙的合成——杜邦公司的一种利润丰厚的产品——并为大分子概念提供了新的支持。但在1933年纳粹政变之后，施陶丁格面对的对手比他的学术批评者更激进。他被盖世太保逮捕，接受了长时间的审讯，并被迫签署了一份没有注明日期的辞职信。经过进一步调查，他被允许留任，但仍受到监视，并被禁止出国旅行。

虽然赫尔曼·施陶丁格的地位直到1945年都岌岌可危，但他的弟弟却处于直接的危险之中。汉斯·施陶丁格曾是德国国会的社会民主党议员，他的妻子爱尔莎是犹太血统。这对夫妇经由比利时逃离德国，并于1934年在纽约定居。赫尔曼和玛格达留在弗莱堡，他们继续研究生物学上重要的大分子，直到1944年盟军的轰炸摧毁了他们的实验室。施陶丁格存活下来的代价是在政治上保持沉默，但他确实设法保护了一些犹太同事不被解雇，证明他们的工作对战争至关重要。

1945年盟军胜利后，施陶丁格致力于重建和恢复德国科学。1947年，他创办了这份颇具影响力的杂志Makromoleculare化学(现在大分子化学与物理1951年从大学退休后，他领导了一个由国家直接资助的新成立的大分子研究所。在给他1953年诺贝尔化学奖，阿恩·弗雷德加评论道:“很长一段时间以来，许多同事都反对你的观点，这不是什么秘密……也许这是可以理解的。”在聚合物的世界里，几乎所有的东西都是新的、未经测试的。长期存在的概念要么被修改，要么被创造出来。”

施陶丁格的主要成就是创造并最终验证了一个新概念，而不是任何单一的实验突破。自从他1965年去世以来，我们对大分子领域的理解不断加深，科学、医学和技术都受到了巨大的影响。现代聚合物的耐用性使得心脏起搏器等救生植入式设备成为现实，但它也对世界海洋造成了巨大的污染。多亏了施陶丁格的遗产，我们都受益于塑料所能带来的改进，但遗憾的是，我们才刚刚开始对塑料潜在的缺点承担全部责任。

迈克·萨顿(Mike Sutton)是英国纽卡斯尔的科学历史学家