張俐娜院士：“綠色發(fā)展”戰(zhàn)略呼喚可持續(xù)的高分子新材料
（原創(chuàng)：張俐娜，內(nèi)容轉(zhuǎn)自中國科學(xué)院院刊微信公眾號(hào)）
張俐娜 中國科學(xué)院院士，高分子物理化學(xué)專家
改革開放40年，我國經(jīng)濟(jì)以年均9%左右的速度高速增長。同時(shí)，增長方式粗放、資源環(huán)境代價(jià)過高的問題也日益凸顯。國務(wù)院將生態(tài)文明建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略，許多科研工作者也正在通過各類課題研究解決國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)“綠色發(fā)展”問題。
“綠色發(fā)展”需要多學(xué)科交叉創(chuàng)新,要求全域、全產(chǎn)業(yè)鏈、全套解決方案。面對(duì)不可再生資源石油、煤炭的日益消耗與枯竭，以及無法自然降解的塑料引起的“白色污染”日益嚴(yán)重，我認(rèn)為我們科研工作者應(yīng)致力于地球上最豐富的可再生生物質(zhì)資源的研究、開發(fā)與利用。
同時(shí)，中國人應(yīng)該做自己的創(chuàng)新工作，做基礎(chǔ)研究時(shí)也一定要考慮其應(yīng)用前景，這樣對(duì)國家、對(duì)人民才有用，也才能做出創(chuàng)造性的新成果服務(wù)于國家，早日實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國之夢。
眾所周知，石油基聚合物產(chǎn)生的塑料因?yàn)椴豢缮锝到猓鋸U棄物對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋垃圾中，報(bào)紙、蘋果核、塑料瓶、一次性尿布等廢棄物的生物降解分別需要6周、7周、450年、475年。全球越來越多的哺乳動(dòng)物、爬行動(dòng)物和鳥類通過誤食塑料制品或者被它們纏繞受到傷害甚至死亡，同時(shí)廢棄塑料導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降、河床破壞以及通道堵塞等影響日益嚴(yán)重，所以塑料垃圾已被分類為危險(xiǎn)物。
近年，塑料廢物已從陸地大量進(jìn)入海洋，而且海洋因塑料垃圾而嚴(yán)重污染。每年約有800萬噸廢塑料傾倒在海里，如果以目前的趨勢繼續(xù)下去，預(yù)計(jì)到2050年海洋中的塑料量將超過魚類。尤其，微塑料（MP）更是一種日益嚴(yán)重的污染物，它被各種海洋生物吞食，隨后被人類食用，嚴(yán)重危害健康；并且北極的海冰攜帶著大量的微小塑料顆粒，到處泛濫。
此外，已發(fā)現(xiàn)塑料垃圾引起珊瑚礁疾病，由塑料導(dǎo)致的各種疑難疾病也開始出現(xiàn)。據(jù)了解，很多國家生產(chǎn)的不可降解塑料制品已占GDP 4%以上，因此全球廢塑料污染問題亟待解決。我國江河湖海的塑料污染十分嚴(yán)重，黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人很重視，要求采取有力措施保護(hù)環(huán)境。
為了解決“白色污染”問題，我認(rèn)為一方面要做好塑料的回收和循環(huán)利用，另一方面加大可持續(xù)的高分子新材料研究與開發(fā)。
來自自然界動(dòng)植物的可再生資源（農(nóng)作物、林木、海產(chǎn)品加工廢棄物等，統(tǒng)稱為生物質(zhì)），是永不枯竭的資源。利用它們生產(chǎn)的高分子材料，使用后埋在土壤或丟棄在江河湖海中可被微生物降解成水和二氧化碳，即使動(dòng)物誤食也不會(huì)窒息死亡，屬于環(huán)境友好材料。
科學(xué)界已認(rèn)定利用自然界中萜烯、植物油、碳水化合物和聚多糖為原料生產(chǎn)環(huán)境友好的生物塑料、水凝膠、復(fù)合材料等均屬于可持續(xù)聚合物材料。天然高分子作為可持續(xù)的高分子材料，具有來源豐富、安全、可再生、可生物降解和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
為了解決廢棄塑料的污染問題，歐洲和美國等一些城市已提出并實(shí)施“綠色”法規(guī)和稅收，鼓勵(lì)生產(chǎn)和使用生物質(zhì)基塑料，而且呼吁科學(xué)家通過加強(qiáng)科學(xué)和技術(shù)研究使生物質(zhì)產(chǎn)品和新材料早日進(jìn)入市場。
近年，為解決化石資源日益枯竭以及塑料廢棄物和微型塑料引起的環(huán)境污染日益嚴(yán)重問題，超過200個(gè)國家在聯(lián)合國環(huán)境大會(huì)上簽署了一項(xiàng)決議，解決海洋垃圾和微塑料問題。
世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展已趨向可持續(xù)的材料和產(chǎn)品，即不使用也不產(chǎn)生有害物質(zhì)，而是利用可再生資源的合成化學(xué)產(chǎn)物。生物材料是工業(yè)或商業(yè)材料中利用生物質(zhì)原料（如農(nóng)作物、草、森林殘留物、植物油或其他）進(jìn)行生產(chǎn)加工的。生物材料必須依賴技術(shù)進(jìn)步才能與石油產(chǎn)品在市場上競爭。目前，利用生物質(zhì)資源研究與開發(fā)化學(xué)產(chǎn)物和材料已成為國際科技前沿領(lǐng)域。
纖維素是地球上最豐富的可再生資源，利用纖維素構(gòu)建高性能材料的優(yōu)秀成果不斷涌現(xiàn)，并發(fā)表在Nature、Science等刊物上。
例如：
弄清了纖維素氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
利用纖維素納米晶須合成手性的SiO2膜；
利用海鞘纖維素納米晶須制備出高強(qiáng)度材料；
以纖維素鏈為骨架組裝功能化的刷子作為模板構(gòu)建多種金屬納米棒；
利用纖維素納米纖維與GaAs、Si復(fù)合構(gòu)建柔韌的電子元件基底；
利用木材經(jīng)處理加工成類似鋼鐵的高強(qiáng)度板材而它的質(zhì)量僅為鋼鐵的1/6。
面對(duì)我國資源與環(huán)境問題，我們科研團(tuán)隊(duì)長期致力于可再生的生物質(zhì)大分子（包括纖維素、甲殼素、大豆蛋白、淀粉和多糖等）基材料的結(jié)構(gòu)和性能及其功能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。
經(jīng)過20多年的探索，我們團(tuán)隊(duì)終于突破用有機(jī)溶劑加熱溶解高分子的傳統(tǒng)方法，創(chuàng)建出NaOH/尿素水溶劑體系和低溫溶解生物質(zhì)大分子的嶄新方法，并在堿/尿素等3種水溶液中成功溶解了難溶解性纖維素、甲殼素，甚至聚苯胺。
我們提出了利用低溫下大分子與溶劑分子之間的氫鍵作用實(shí)現(xiàn)溶解的新機(jī)理，并證明溶解是熱焓驅(qū)動(dòng)的物理過程。這被國際上稱為是神奇的“綠色”技術(shù)，而且為研究棉短絨、蔗渣、蝦殼、蟹殼等農(nóng)業(yè)廢棄物中這些最頑固的大分子轉(zhuǎn)化為新材料開辟了一條全新的道路，而且有利于環(huán)保。
我們由低溫溶解的纖維素、甲殼素以及聚苯胺/纖維素溶液通過“綠色”技術(shù)已成功制備出絲、膜、水凝膠、氣凝膠、生物塑料、微球、泡沫塑料等新材料（如圖），并證明它們具有優(yōu)良的力學(xué)性能、生物相容性、電子導(dǎo)電性、吸附分離功能，且在土壤和海水中可完全生物降解。
低溫溶解纖維素和甲殼素及“綠色”技術(shù)構(gòu)建各種新材料（Wang S., Lu A., Zhang L., Progress in Polymer Science, 2016, 53, 169-206; B. Duan, A Lu, L. Zhang, et al., Progress in Polymer Science, 2018, 82, 1-33.）
重要的是,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這些新材料在生物醫(yī)用、光電儲(chǔ)能、紡織、水處理等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，而且材料廢棄后，埋入土壤中或丟入海水中1—2個(gè)月，便能完全分解為水和二氧化碳，屬于環(huán)境友好材料，可實(shí)現(xiàn)自然界的良性循環(huán)。
基于以上，我們開創(chuàng)了堿/尿素水溶液低溫溶解這些難溶性天然高分子的新方法和新機(jī)理，具有原始創(chuàng)新性和普適性，并且利用生物質(zhì)中纖維素和甲殼素通過“綠色”技術(shù)轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好的新材料，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。目前我們正在與四川絲麗雅集團(tuán)有限公司和四川大學(xué)進(jìn)行“堿/尿素水溶劑低溫溶解法制備纖維素和甲殼素新材料產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用”合作。我們已成功紡出高強(qiáng)度再生纖維素絲和甲殼素絲，可望替代污染嚴(yán)重的粘膠法（采用有毒的CS2）生產(chǎn)人造絲和玻璃紙以及其他新材料。該項(xiàng)新技術(shù)的工業(yè)化和應(yīng)用屬于可持續(xù)的“綠色”生態(tài)系統(tǒng)，將有助于未來可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的實(shí)現(xiàn)。
張俐娜 高分子物理化學(xué)專家。1940年8月出生于福建省光澤縣。2011年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。武漢大學(xué)教授，美國化學(xué)會(huì)刊物ACS Sustainable Chemistry & Engineering（《可持續(xù)化學(xué)與工程》）副主編。曾榮獲美國化學(xué)會(huì)安塞姆·佩恩獎(jiǎng)（2011年）和國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（2012年）。2016年英國皇家化學(xué)會(huì)Chemistry World刊物報(bào)道她為“中國‘綠色’化學(xué)先驅(qū)”。
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