江明院士谈自己的高分子研究生涯

江明院士谈自己的高分子研究生涯从相容到络合，到组装----论文背后的故事(江明教授在高分子科学系博士论坛的演讲)1979年的春天，我到了英国Liverpool大学，那个时候已经四十岁过了。

二十岁我就从大学毕业，可到了四十多岁我才开始我的研究生涯。

.攀登之旅到了Liverpool以后我就面临着第一次科研课题的选择。

当时因为我们是公派出去的，所以那边的教授还是欢迎我们和他们一道工作，至少是一个劳动力。

Liverpool大学有很好的高分子的传统，在历史上是很优秀的。

当时有两位老师都希望我跟他做，一个叫Bamford，他是FRS，就是英国皇家学会的会员，非常知名的一位教授，在我去以前我就知道他的大名。

因为他有一本书，“The Kinetics of Vinyl Polymerization by Radical Mechanisms”，我在出国以前就读过的。

他在自由基聚合方面是权威的，他的文章在不断的发。

还有另外一位，名气要比他低的多，就是Eastmond，他也是做free radical polymerization，以前是Bamford的学生，后来他有了自己的课题组。

但他的重点转到multicomponent polymers, 就是多组分聚合物，当时这个是一个新兴的方向。

就是把多种聚合物放在一起，看它的物性，看它的结构与性能的关系。

我做了一些比较，如果跟Bamford，发文章是没问题的。

但从学科上讲，当时free radical polymerization基本的一些东西已经确立，很难有比较大的发展。

从将来回国后的工作来讲，也难有大的贡献，国内已有很多人在这个领域工作。

而多组分聚合物，虽然很不成熟，导师的名气也不是很响，但是我觉得可能会学到一些很实际、很有用的新东西，有助于回来开展工作。

所以我选择了Eastmond。

今天回想这件事，我觉得还是做了一次很正确的课题选择。

大家知道，我在二十岁的时候就离开大学的学习，作为一个大学教师，过了二十多年我才有机会，真正安下心来从事一点学习和研究，所以我是多么珍惜这个机会，这是可以想象的。

在国外的两年我真是“如饥似渴”，学理论，打基础，做实验。

然后到了1981年的春天，也就正好是我出国两周年的那一天，我就回来了。

回到复旦，我就面临着自主的选题。

我当然希望继续研究“多组份聚合物的物理化学”。

很巧，当时遗传所刚进口了一台非常好的 Hitachi 电子显微镜，这对我研究多组分聚合物的形态非常有利。

同时我们教研室有几位老师，在HIPS, SBS等方面都在做工作，有一个比较好的做多组分聚合物的氛围。

所以我就决定以多组分聚合物的物理化学作为主要的方向来做。

那么具体做什么呢？其实这个问题我在国外已经考虑过，在阅读文献的基础上，我有了一些想法。

就是关于block polymer和homopolymer，嵌段共聚物和均聚物的相容性的问题，我对它很有兴趣。

block polymer含有A和B两种嵌段，它和均聚物的A或者B 放在一起，是不是相容，这个问题非常有高分子特色。

因为你想，均聚物的A和block A，它们化学上是完全相同的东西，从我们传统化学的观点来看，它们不存在相容不相容的问题。

同样的东西当然无限相容。

在高分子中就不一样了。

嵌段共聚物本身形成微相分离，那么你再将一个homopolymer加进去的时候，就牵涉到熵的变化，它就不会是无限相容。

这里大家看到的这篇文章的作者是日本京都大学的Hashimoto和Inoue，发表在1970年，当时他们还是学生或博后，现在早已是日本科学界的领军人物。

他们发现这个相容性不是无限的。

但是只要homopolymer的分子量比block要低的话，它就会相容，溶解度非常非常大。

但与此同时，我的老板在英国做的工作，用的聚合物叫ABCP，比较复杂结构的高分子。

它里面最简单的部分，是H型的。

两个A链，当中一个B链把它们连接起来。

他用这个ABCP再加均聚物A进去，发现溶解度非常小。

所以他认为通常情况，homopolymer与block polymer由于不利的熵的效应是不相容的。

这两个观点实际上是对立的。

不过很有趣的是他们在文章里并不辩论，而是各讲各的。

这在科学文献上是常见到的，如果我做的结果和别人不符合，不一样，而且也没有办法来说服别人，那么我就先把我的结果发表了再说。

但是我仔细的看了两方面的文献，我觉得这里面是有很清楚的分歧，原因虽并不清楚，但我隐隐约约地感觉到他们用的copolymer的architecture不太一样，所以可能会有影响。

今天我体会到，文献上的分歧很可能就是一个新的生长点。

当时我下决心弄清楚这个问题。

我利用我们合成上的长处，我们可以做各种各样的architecture的高分子，我们可以做比较。

所以首先我们就做了很简单的接枝共聚物， poly(butadiene)为主链，带1－2根polystyrene支链的接枝共聚物，它的architecture很简单。

我们发现，当加入均聚物的分子量很小的时候，溶解度非常大，所以基本上支持了日本学者的结论。

但是不能就此满足，我们还可以做更加复杂的，所以我又做了和Eastmond 一样的ABCP。

他用的ABCP加上和主链一样的均聚物A，而我加入和支链一样的均聚物B，就发觉它的溶解度也是非常非常小。

接着我们做multibranch graft，就是主链上带了很多支链的，然后再加和支链相同的均聚物进去，结果溶解度也很小。

综合分析这些结果，就会发现，凡是溶解度大的，都是共聚物的architecture，就是构筑很简单的。

凡是溶解度小的，都是共聚物构筑很复杂的。

所以实际上就存在一个block copolymer的“architectural effect”。

到这时，这个问题的基本结论已经有了。

但是要使它更有说服力，必须要拿出更过硬的证据。

那么我们就想到了用阴离子聚合的方法，因为阴离子聚合可以得到结构确定的共聚物。

我们合成了两嵌段共聚物，三嵌段共聚物，和四臂星型共聚物。

它们的化学组成完全一样，只是architecture不一样，看它们和均聚物的相容性。

这工作是我的第一个硕士生曹宪一做的，他非常非常的勤奋，真是个拼命三郎，。

他在硕士期间就做了这样好的工作。

他比较了这三种共聚物和均聚物的相容性。

对于两嵌段的，溶解度非常大；三嵌段就低得多，到了四臂星型，溶解度就更小了，非常的有规律性。

所以，综合了所有这些结果，我们就提出了相容性的共聚物architectural effect效应，也就是说，共聚物的构筑architecture越是复杂，它们形成微区的时候构象限制就越大，因此和均聚物的相容性就越小。

后来还做了一些统计力学理论工作，使实验结论得到理论支持。

这样，我在91年的Progress in Polymer Science 上发表了一篇评述文章，综合报道了这些结果。

在87年得到了中国化学学会高分子基础研究王葆仁奖，还有89年国家教委的科技进步二等奖。

这个王葆仁奖只有300元奖金，但是我还是很珍惜的。

这是用高分子界的老前辈，也是我国高分子科学的创始人之一的王葆仁先生生前捐献的1万元建立的。

大家也许觉得可笑，1万元可以建一个奖？但是这在当时还是很不容易的，王先生是用他的稿费捐献的，这是一个义举。

不过很有趣的是，我想我对王先生的这个奖还是有“回报”的。

怎么这么说呢？王先生和我是同乡，我们还是校友，都是扬州人。

他的墓地，非常巧，和我的父母亲墓地是毗邻的，他们在另外一个世界做邻居了。

我每次回去给我父母亲扫墓的时候，我从来不会忘记给王先生三鞠躬。

这也算是“回报”吧（笑声）。

这项研究工作做完以后的这些年来，你们查文献就知道了，还是得到了很好的反响，比如像美国的Texas大学做Blend的权威Paul 教授，在89年的工作里就大段的引用我们的工作，并且指出他们关于PPO和SBS的实验结果完全支持我们的结论。

应该说回国以来的第一炮打的还是比较响的，初战告捷。

这也促使了我的研究风格的逐步形成，怎样一个风格呢？我想就是要在高分子物理和高分子化学两者之间的结合上下功夫。

我不是真正高分子合成化学家，但是为了高分子物理化学研究的需要，我们可以自己合成我们所需要的高分子，用来做进一步的研究。

把这两者结合起来，就有了一个比较大的发展空间。

好，谈谈下面进一步做些什么事情。

在80年代中后期，有关嵌段共聚物相容性和结构的研究，国际上有非常好的工作出现，如日本的Hashimoto教授等等，主要用中子散射和X散射的方法，把这些问题的研究提到定量的高度上。

这对我们说就有困难了，因为我们没有那么先进的仪器，理论上的准备上也是不足的。

所以这时候硬要和这样的强手去拼搏，也不是一个很明智的做法。

与此同时，我注意文献的调查，我发觉在当时有一个很重要的新兴方向，就是在高分子共混物中通过引进特殊相互作用，特别是氢键作用提高相容性，是一个诱人的方向。

当时看到了美国Brooklyn Polytechnic University 的T.K.Kwei等人做出的工作，他们把聚苯乙烯里面引进了一些含羟基的单元，只要1～2％的含羟基单元引进去以后，它就和PMMA等聚甲基丙烯酸酯类形成氢键，就可以使两者由不相容转变到相容。

我觉得就我们的水平来讲，做这类工作是很实际的。

我们可以做各种各样的高分子，通过改变它的组分把氢键引进去，改变引进的氢键的浓度。

同时我们在研究方法上也有特点，因为他们只用了一个DSC来表征，很不全面的。

而我们的透射电镜已经掌握得比较好了，所以完全可以发展。

另外我们也开始做荧光标记光谱法，所以就可能通过几个方法的综合，把这个问题做得更深入一点。

所以选了这个课题。

这课题的总的思想，应该说还是从外面文献上借鉴来的。

这个课题开展得也是比较顺利的，对多种体系，用多种方法证实了同一个结论，即很少量氢键基团的引入就可以把不相容变成相容。

但是，这样也只是对文献已有工作的延伸和拓展，没有太多创新的东西。

真正创新的东西源于后来荧光光谱方法研究的结果。

在两个不相容高分子共混物A和B里面，我们分别引进荧光的给体和受体，donor和acceptor。

大家可以想象，如果它们不相容的话，donor 和acceptor不能接触到一起，那么它们之间荧光能量转移非常的小。

如果共混物从不相容转变到相容的话，这能量转移就会有一个跳跃，到一个比较高的水准上。

我们确实发现，只要成氢键的基团达到1～2％的时候，就会有个突跃性的增长。

如果我们到此为止，说荧光光谱的结论跟TEM，DSC是一致的，那也可以“交差”，也可以发文章了，但这样我们就会失去下面的更精彩的文章了。

当时我的硕士生陈文杰做了很好的贡献，我们不满足于看到当羟基含量到2％时达到完全相容，而是要问，如果再增大羟基含量会怎么样？我们就继续做下去，做到含量8％，10％，20％….就发现，到了5～8％这个范围，另一个新的突跃产生了，也就是说这个能量转移，比相容体系还要高。