高分子科学的研究：未来十年的挑战与机遇.doc

高分子科学的研究：未来十年的挑战与机遇C. K. Ober, S. Z. D. Cheng, P. T. Hammond, M. Muthukumar,| E. Reichmanis,K. L. Wooley,# and T. P. Lodge*,材料科学与工程学院，康奈尔大学，伊萨卡，纽约 14853；高分子科学系，阿克伦大学，俄亥俄州，阿克伦 44325；化学工程部，麻省理工学院，马萨诸塞州，坎布里奇 02139；高分子科学与工程系，马萨诸塞大学，麻省阿默斯特 01003；化学与生物分子系，佐治亚理工学院，佐治亚州亚特兰大市 30332；化学与放射学系，华盛顿大学，圣路易斯，密苏里 63130；化学与化学工程系，明尼苏达大学，明尼苏达州，明尼阿伯里斯 55455导言高分子科学的广阔领域从未如此充满活力。在许多领域中的惊人的重要进步驱动了高分子科学的发展。这些进步包括：（一）聚合方法；（二）理论，模拟与建模；（三）对新的物理现象的了解认识；（四）表征技术的进步；（五）利用自组装和生物手段生产复杂的多功能结构这个领域研究活动继续扩大并吸纳许多其他学科的从业人员。与此同时，社会所面临全球性的挑战。这个挑战正在进入其明确的焦点对广大新的和可持续的能源来源的需要；对洁净空气，水和食品供应的需求；对补充，再利用，并取代以石油为原料的高分子材料需要；对加强双方在疗效和负担能力的卫生保健模式的要求；提高安全和防卫的技术。在所有这些领域，新的高分子材料，新工艺生产的聚合物和聚合物复合材料将发挥关键的作用。事实上，当今聚合物无疑是最重要的一类材料；它们的多重可调属性使得它们扩大使用最先进的技术平台。认识到这些巨大的挑战和相应的机遇，美国国家科学基金会2007年8月在美国国家科学基金会总部通过聚合物计划司的材料研究所主办为期三天的研讨会。这次专题研讨会的协办方有空军科研办公室，陆军研究办公室，能源部（基础能源科学），美国国家航空航天局，美国国立卫生研究院（美国国立生物医学成像和生物工程），国家标准与技术研究所和美国海军研办公室。在Chris Ober的主持下，并与组织委员会包括Stephen Cheng，Paula Hammond，M. Muthukumar， Elsa Reichmanis和 Karen Wooley，超过50人（见附录）进行了激励的讨论，交换了意见，并编写了一份书面报告，这份报告详尽的说明大家对未来十年集体预见的挑战，目标和战略。这份完整的120页Interdisciplinary Globally-Leading Polymer Science & Engineering（跨学科的全球领先的聚合物科学与工程）报告可以通过网络获取（获取网址：/mps/dmr/reports.jsp），我们强烈鼓励读者利用这一汇集集体智慧的资源。(硬拷的这份报告可以通过向Chris Ober的邮箱发送请求获取)。这篇透视的目的不是取代或重复报告的全文，而是对可能的更广泛的受众突出它的存在，并再次强调的一些显着的结论。我们在这的关注点是专门的研究课题和摆在我们面前的令人振奋的机遇。报告本身也在聚合物领域的教育，宣传，扩大参与并保持竞争力方面详述了非常有益的建议；我们在这里不解决这些问题。我们也希望强调在这篇透视中涉及的各点。这些点代表了创作者们的观点，正如从报告全文所获悉的。不能够因为他是否有资金支持而把它视为蓝图，也不能够由于忽略了某些特定的议题就意味着经过深思熟虑的判断是不受人关注的或不重要的。社会挑战和高分子科学的作用该小组确定了对社会需求带来巨大的技术挑战，并且聚合物科学必须发挥关键作用的五个广泛领域；能源，可持续发展，卫生保健，信息安全，国家防卫。事实上，超过其他任何一类材料，聚合物有能力服务于许多不同的领域，从重大的结构性组成部分（例如，即将投入使用的波音787“梦想飞机”所用的材料80为碳纤维增强热固性树脂）到精细的高附加值材料（例如，光刻，药物释放）。这种多功能性的应用直接源于聚合物多功能的物理特性。这反过来也集体的进步在高分子的合成与设计，在分子结构和材料的反应关系方面的认识，和有效地处理步骤。为了满足这些不同的社会需求，先进的高分子材料的使用将扩展到更多以传统材料为主的领域。这种趋势将持续，快速的发展，这是聚合物科学可以提供的。在能源领域，聚合物将至少有三大职能：作为组件在新能源发电和存储系统，作为重量轻结构材料，以减少燃料消耗，特别是在交通运输方面和作为分离技术更有效的平台。在第一大职能中，光伏薄膜、燃料电池膜、电池隔膜这所有的领域都具有浓厚的兴趣，尤其是当便携性成为重要的时；然而，大量材料的挑战有待克服。在第二个角色大职能中，聚合物在减少飞机，火车，汽车的质量方面仍然存在着巨大的机会。在第三大职能中，工业规模液体和气体的分离通常是能源密集型的，新一代聚合物膜应能大量节省能源的消耗。在发达国家，一次性塑料包装是无处不在的，它完成了许多重要的职能，同时也是浪费和污染的典型例子。环保聚合物行业不仅将提供可生物降解的材料，而是一整套全面的高分子材料为基础的可再生原料。包括单体前缩减生物质（如乳酸）和聚合物和聚合物基复合材料直接源于丰富的生物材料，如纤维素，淀粉，木质素和几丁质。即使石油为基础的聚合物，这种目前和不久的将来高分子材料的主体在合成与加工过程中更加环保。例如消除挥发性有机溶剂，催化剂的回收及循环再造，以更高活性的催化剂，并通过绿色路线纯化单体。社会的挑战和聚合物科学的角色该专家小组确定了五个广泛领域:能源.可持续发展.卫生保健.安全和情报,国防和保护.在其中社会需求展示了巨大的技术挑战,并且聚合物科学必须在其中发挥至关重要的作用。事实上，聚合物比其他任何类别的材料更有能力应用于许多不同的领域，从主要的结构性组成（例如：即将使用的波音787百分之八十用的是碳纤维增强的热固性材料），到在克规模上的高增值配料（例如：光刻技术，药物传递）。这种在应用上的多样性直接源于其物理性能的多样性，而这反过来又反映了在分子合成和设计上，在分子结构和材料响应的关系上，并且在有效的处理手段上的整体的先进性。为了满足各种不同的社会需求，先进聚合物材料的使用将必须延伸到更多传统材料占主导地位的领域;因此，成功需要继续，聚合物科学能带来快速的发展。 在能源领域，聚合物将至少有三个广泛的职能：作为新能源生产和储存体系的组成部分，作为减少燃料消耗的轻便结构材料，特别是在交通运输领域，并且为分离技术提供了更有效平台。第一个作用，光电，燃料电池膜和蓄电池隔板是吸引人们有浓厚兴趣研究的所有领域。特别当轻便性很重要时。然而，大量材料的挑战仍然有待克服。第二，在减少飞机，火车和汽车的质量方面仍有巨大的潜力。第三，液体和气体工业规模上的分离往往是能源极其紧张的，新一代聚合物膜应能带来大量的节约。一次性的塑料包装在发展中国家是十分普遍的，完成了许多重要的功能，然而，也是代表了废物和污染的典型的例子。一个更绿色环保的聚合物工业，不仅提供能生物降解的材料，而且是广泛的一套亦可更新的原料为基础的聚合物材料。例如包括，从生物质中制备出来的单体（如乳酸）与聚合物，从纤维素，淀粉，木质和壳多糖等丰富的生物材料中衍生出来的聚合物复合材料。甚至现在和不远的将来大分子材料的支柱以石油为基础的聚合物，从其合成和处理加工方面能做到更环保，例如，通过除去易挥发的有机溶剂，通过在利用和修复催化剂，通过更火博得催化剂，还可以通过更绿色环保的路线提取单体。聚合物已经在许多生物医药的应用上起到了重要作用，包括药物运输体系（例如，有涂层的支撑管，经皮肤吸收的膏药，聚合物胶束和微小的粒子），人造替代物（例如，臂，心脏）和生物组织工程。然而，更多种多样和更复杂的应用的潜力是很大的。特别的，你可以想象超出现在的例子，设计与生物有机体相容性不好的聚合物复合材料，使之有充足的时间间隔去发挥其功能，设计使聚合物有多重功能性，在长度和时间规模上分散出一个层次，使之与细胞和细胞状控制系统计及相互作用。尽管现在的信息时代已经带来了许多便利，同时也对个体和社会的安全造成了新的威胁。原则上，聚合物能生产低能耗和像传感器和识别系统这样轻便的产品。功能性应用需要在合成、特性和已经合并成混合体系的光电聚合物的基本理解上创新。信息的搜集、储存、查证和显示等功能是这些系统必须完成的。一个相关的挑战是保证安全和支持净水的分离。在检查毒素，净化和储存方面，聚合物将起到战略性的作用。先进聚合物在防卫上的应用也很多，从复杂的、数百万美元的交通工具和飞行器上的需求到应用于士兵个人的保护性装置。跨学科的聚合物科学过去60年来聚合物科学已经达到了一定成熟的水平。例如，我们已经对一种溶液或者单分散的、灵活的、不带电的线性均聚物熔融体的链行为有了较深的理解。然而，这些知识并不意味着在聚合物科学领域中智力挑战的结束，而恰恰相反；我们对更复杂的体系越来越感兴趣，包括聚合物与聚合物、聚合物与微粒、嵌段聚合物、支化聚合物、带电体系和杆状分子的混合体系，而这些中只有一些有命名。整个社会过去集体的成就将使未来关于大分子的问题和解决方法的进步跨越更大的宽度。这个宽度将不可避免的加强各学科间的联系的重要性。因此，在聚合物科学自身这个领域内，我们需要追求传统的不同部分的更大的协作，如设计与合成，特征与性能，加工过程，理论与模型，或许更重要的是聚合物科学与化学、化工、材料科学、物理、生物、生物医学、计算机科学与环境科学之间的协作有极好的前途。新分子和新材料的合成过去十年，我们对控制分子特征一制备聚合物的能力有了巨大的进步，这些分子特征有分支和结构、链长度分布、立体规整性、共聚物组成、前端聚合物顺序与链长、和功能基团的准确位置。在许多情况下，更新的计划与实现和按比例增加直接相关，甚至会产生出更先进的材料。然而，这种突然的进步仅仅是刚开始，接着会出现更多令人兴奋的发展。为了应对特制材料的巨大挑战，专家小组共同确定了未来十年发展的八个目标。这八个目标的简单总结如下： 合成的基功能却度不断增加。既包括产率的提高，原子效应合成和化学间正交协作。因此，在前一步中安装的特殊功能性不会通过丰富的化学转变而失去功能性。多相性和多功能度的精确控制。因此，含多种单体和特定功能或响应基团的聚合物可可靠的制备。这个目标和先前的目标在催化剂设计上是振奋人心的挑战。 树枝状的简单和稳定结构。星形，梳形，环状，双支化，树枝状的和其他非线性结构是许多研究的焦点，但是在许多情况下，复杂的合成包括很多的步骤，随着简单合成路线的发展，这些吸引人的大分子的应用将会更便利，而这些简单的合成可以组成大规模的合成。自我复制/纠错模版。这代表了其中一种主题，包括努力学习聚合物合成和模仿自然体系，高度复杂的大分子像蛋白质是一步一步的合成的，然而却是完美的。先进的分子识别和非共价键的集合。超分子间的相互作用，例如共价分子间的相互作用，已经用于生产各种各样的适应性的、可自我恢复的和刺激响应体系，但是这个机会的范围是非常大的，氢键已经是一种很受欢迎的超分子设计元素，但是，分子识别、离子和电子的相互作用、金属配体的配位作用，和疏水/亲水的结构都是合成共价聚合物结构和材料的潜在的丰富的路线。复合材料。聚合物和其他材料的混合体系越来越表现出其优越的性能，例如有机的余无几的添加物，金属与金属簇，纳米离子，纳米纤维和矿物质板。然而，一般地，目前大设计不能明显的控制聚合物组分与配合剂间的相互作用，也有需要对纳米级组分设计的更完美的，因此，在单个合成中聚合物组分和非聚合物组分都被看作试剂。改进的共轭聚合物。共轭聚合物，或者导电的，半导体的，发光的，吸光的灯广泛的聚合物在主体的先进的应用方面是至关重要的。这些材料往往是很难制备的，特别是通过可控的聚合反应路线，例如嵌段聚合物。更进一步，共轭常常伴随着构想稳定性，而这又减小溶解度，也阻碍分子特征和材料加工性。日益减少的对环境的影响。这个目标应用广泛，从更新原料的再利用，从能源的投入与产出考虑的合成效率，替代物或光电有机组成的极小化 ，到最后产品的降解性与循环性。 复杂聚合物系统报次级作用的操作，加上其他热力学和动力学的动力可以产生更复杂的材料。这些体系包括嵌段和混合共聚物以及他们在本体和溶液中的集合体，但也有不断扩大的一套有机-无机或有机金属系统，超分子网络，以及混合功能材料，许多纳米到微米尺度层次。往往是相结合的控制系统，导致高分子动态或有响应的材料。更多地了解如何引导和控制这些相互作用最终将导致聚合物在医药和一些技术要求等领域的应用范围的扩展。尤其是，基于提出诸如:电子载体运输、软薄膜和涂层的课题的机会，能源转换和存储应用是对复杂系统的一个大挑战，小组在这些复杂聚合物系统中强调了一些关键的进步需要或预见：生物大分子作为复杂的聚合物的模板或组分。虽然自组装合成聚合物往往依靠分散力量，生物利用许多其他图案为指导结构，包括螺旋和板型的肽序列。通过把微弱相互作用总体协调起来，生物系统产生的高强度材料（如骨骼，皮肤，甲壳，丝绸） ， 生物识别和催化特异性，以及高效的能源收获。随着聚合物设计和合成开始推广这一复杂系统，为了达到以性质为基础的设计，更好地控制这些系统的集合体的这种需要变得很显著。这在二维结构的三维材料的外推法中是特别适当的，这些材料能为生物和药物活性系统提供机理，生化，和结构因子。由一个单一的化学反应推动的反应体系，或由一个化学转变推动的一系列反应，可以产生有广泛的刺激行为的新的聚合物，例子包括光响应大分子的构象转变和肿胀，湿润，散装或薄膜形态和力学性能中的光感应和温度感应变化。随着为了达到高水平的有序必须面对的挑战，分层结构用电荷提供了新的机会。控制多层组装方法结合不同的聚合物共混物骨干纳米，以形成了广泛的无机/有机杂化材料的组成与控制通常不会产生稳定的混合物。利用带电物种在组合中的互扩散和伴随的操作如氢键等附加的相互作用，能够操纵这些系统的形态学的能力可能导致在薄膜中产生更复杂的形态结构。困难会持久存在，正、负电荷的物种可以进行非所需的聚集或络合。成熟反应的应用可以产生带电组分，这些组分在想要得到的时候可能会隐藏或显示。操纵电荷的方式包括电化学还原或氧化，以连续或梯度顺序的方式，调整沿聚合物骨干的电荷密度，以及pH响应或裂解群体。由于可聚合物质的多价的特性以及广泛现有的架构，它们在产生这样络合物中起特殊作用。组合的可控可逆性。自适应结构能实现通过聚合物链之间，或与其他聚合物纳米要素之间的互补作用可以识别出从纳米粒子到有机金属络合物或配体。这种材料可能会从力学性能和流变行为方面经历显著改变，并且可能导致反应网络，它们经过接受指令组装和拆卸或响应环境刺激。真正可逆组装材料可以产生有响应的或自适应材料，药物运输载体，生物医用材料，以及活性保护应用。一般的挑战包括滞后，循环，状态的动力学捕集，兴趣的刺激素的可控灵敏度，以及甚至在稀的大分子浓度下的传动装配能力。作为制备纳米级物体一个复杂系统路线。某些非对称或模式化纳米粒子有很大的科学技术的价值，而且用传统的制备技术可能会非常困难。复杂的聚合物体系，从二嵌段和三嵌段共聚物，到分层自组装结构，可用于生成球状，棒状，管状，和分层结构。通过充分利用嵌段聚合物系统中化学成分的不同点，或通过在胶态组合中产生高特异性及空间定位区域而形成更广泛的新结构。产生更多不同的纳米粒子系统的能力可以认为在目标药物运输，光子学，或催化和能源的应用方面能产生巨大进步的装置提供组成部分。通过控制动力学路线直接形成的结构。已有的更复杂的聚合物系统，包括由离子，氢键，疏水性，范德华力，和其他非共价相互作用形成的超分子结构;这些系统的集合实际上往往产生动力学的截留状态的结构，预见性的越过动力学状态的能力可能导致有用结构的范围更宽。 表征与性质:合成技术和聚合物功能化的进步需要并且激发我们提高描述分子和材料细微结构的能力。我们必须了解材料在最终（通常为固态）状态的性质，以及材料成型加工状态（通常为液态）的动态响应，从而实现在聚合物设计和优化方面的适当进步。研究小组提出了在这方面的七大显著挑战，这些挑战同样为将来的研究和发展提供了许多机遇，这些机遇包括下列各项:多重变数的多样性：由于分子种类在一些性质，如链长，立体和区域化学，构造的完整性和共聚物组成上通常是多重性的，所以详细的聚合物描述受到阻碍。到现在为止最成功的策略是多种技术联用，但是这种方法耗时并且受到一定限制。举例来说，即便体积排除色谱分析法可以得到链长对性质贡献方面的信息，核磁共振光谱学提供了聚合物平均成分和区域化学的细节，而从一条链到另一条链化学成分是如何变化的，人们只能进行设想。高分辨率技术的不断发展（如MALDI即基质辅助激光解吸电离质谱分析法和温度梯度相互作用色谱分析法），以及一种变量的高分辨率分离技术与另一种变量的高分辨率分析技术直接相结合的联用技术的应用都将得到收益。单个链的性质：现有分辨率的极限是对单个分子的进行测量，这已经在一定的情况下能够做到。例如：与单个DNA高分子拉伸响应相抗衡的力的测量，以及在拉伸流变和电泳时分子的可见形变的测量。更加重要的是，它将深刻促进人们去测量单个分子的其他性质。这包括能对分子的序列和结构，分子对各种力和相互作用的响应的测量，以及能够在多种环境下进行这些测量（举例来说：在本体相中，在界面的表面）。形态学：聚合物通常呈现多种多样的形态学特性，包括无定形固态，结晶态，半结晶网域结构，交联网络与凝胶，液晶和其他中间相，镶嵌聚合物纳米结构，非连续相和连续相分离区域结构。这些相态中通常是有两种或多种以非均相的方式共存于材料中，使材料复杂化。同样的，对聚合物复合材料和共混材料的积极研究给表征聚合物在一定限制条件下的结构，以及在纤维、微粒、片层和纳米管的硬质界面附近的结构带来了新的挑战。多个长度和时间标尺：固有地，从亚毫微米到多微米，聚合物分子和聚合物材料表现出多种重要的结构特征。往往将当前可应用的有力技术，例如散射和显微镜，限定在可达到的范围内或至少要求多于一种仪器能够达到所要的分辨率。这个限定在时间域中更为普遍，分子运动发生所需要时间从至少几皮秒（如侧基和溶剂的运动）延长到任意长（如：玻璃态老化）范围内。通常，随着分子动态范围的扩大，对表征工具或同步应用在已给样品上的互补技术会有一定的要求。及时、高通过量的表征：很多情况下，分子和材料的表征是在合成和加工之后的一个独立步骤。能够应用于实时，实地，来对合成和加工过程进行更大程度控制的技术以及服务于产生合成聚合物“图书馆”的高通过量分析技术都有很大的发展机会。 缺陷与杂质：当高聚物不断应用于纳米技术和其他需求领域时，便产生了一个普遍的问题，正如谚语所说到的：干草垛里的针，是不容易发现但却是致命的问题。在结构规律性中的不经意的变化(“缺陷”)，虽然稀少但对材料而言却是致命的杂质含量，或者，甚至预知的低水平杂质的引入，都会给物质的表征带来挑战。目前的工具倾向于展现含量占优势的结构成分的信息，而不是足够灵敏的显示少数组分信息。未充分利用和误用的先进工具：有许多有力的表征工具在普遍应用和已经可以(至少在计划中)应用。然而充分或适当的应用这些技术还存在一定障碍。一方面，拥有大规模使用者的设备，例如小角中子散射和同步加速器X-射线散射，或许已经有用户程序和专业人员，但对于非专业人士要成为熟练的使用者仍然存在着较为明显的障碍。另一方面，先进仪器（如：电流计，光散射分光计）商业实用性上的巨大进步可能会造成促使仪器误用的结果，这在人们的意料之外，比如这些技术在明显简化时其原有的潜在的微妙之处和设想都被遗忘，而如果能够应用这些潜在的微妙之处和设想可能会产生大量的数据资料来供参考。这两种现象的解决应该依赖于教育的进步，而并非研究本身，但是，当然，对于学生的培训是理论高分子科学发展的基石。理论和模拟在理论分析方面取得的重大进步，以及电脑技术在模拟实验中前所未有的发展，使得在未来的几十年中，聚合物理论家将在大分子物质的合成，加工和分子设计领域起主导作用。专家小组详细描述了该领域存在的三个主要的挑战;1 系统地描述已知物质的合成规则，包括分等级的不同物质和生物杂化的物质等；2理解电子，光子，离子和能量在聚合物中传播的基础，从太阳能电池到正在使用的电池，从电池组到传感器和隔膜等；3 系统地描述有效率的合稳健的加工准则，尤其是对于一些结构复杂的化合物。在上述条件下，一些备受关注的目标就会很明显:一 受电子控制的聚合物，系统这类高分子支撑着一系列不断扩张的合成材料，包括绝大多数的具备生物功能性的物质。在这个领域众多的基础性问题中，有两个备受人们的关注。第一个是，介质的介电性在空间的分布是不均匀的，它从根本上影响了均匀性质的前进，而均匀性在聚合物科学的其他领域的应用是相当成功的。第二个困难是，在起作用的链长范围内，静电作用力足够大，它可以达到或者二倍于分子间的作用力。另一个需要关注的问题是，在自然界易于变动的灵巧性和反应活性物质被涉及到合成路线之前，我们应将数目繁多的分子间相互作用加入到理论研究中。二 平衡性和加工过程，在通常情况下聚合物本身不能达到一个平衡状态，相类似的聚合物的加工过程通常包括强的流动，温度梯度的变化，以及其他一些情况是整个系统远离平衡状态。这对于在纳米尺度，微观水平，宏观范围来预测聚合物的最终结构都是一个巨大的挑战。发展一种全部自由能理论的图景是不切实际的，在真实的屏障之间存在着许多亚稳态。因此，对于合成路线上关键因素进行深入的物理分析将会成为取得成功的唯一出路，这些因素可能具有更加特别的系统性。因为时间和空间的范围很宽，发现多种多样的相似的粗糙的粒化模型是不能避免的。预测和理解物质的结构，仅仅是工作的开始部分，最终的目标是要确认物质的结构与机械性质，物质的结构与传输性质之间的关系。三 杂化物自组装和等级结构，作为功能性物质一大部分当代的聚合物科学家把自组装理论作为加工纳米构型物质的主导理论。这个领域充满了理论上的挑战。首先是对超分子的构造成型和杂化物的基本假设规则。相互作用的挑选决定者自组装，聚合物组成部分的结构，以及为了得到想要的结构而对设计合成路线的选择。这里对预测理论也有很大的要求这种理论必须能够指引合成从而获得所要求的具备形态学和相行为学的物质，而不是仅仅解释事实上唯象学的结果。四 光子，离子和电子，一些主要的技术目标，如，更有效的电子传输，更有效率的电池隔膜，更有效的水净化装置会由于人们对离子激发光子和分子以及气体在聚合物内部传输理论理解的加深而得到发展。例如，对空穴和电子流动性及队列结构更好的理解，将会指引合成，并提高聚合物的半导体性；提高光子的传输效率可以改善有机太阳能电池的性质。以上两个方面都要求定量的机械处理，即使是在经典的决定性因素中，最大的挑战依然是为电子传输找到理想的隔膜。五 合成，随着现代合成工具的发展，对理论和合作的需求增加了很多，在很大一方面是因为可以得到的聚合物的结构范围太广，以至于无法对他们进行系统化的处理。例如，所有可以得到的非线性结构的物质，对于特定的应用，哪一个是最佳的？假如一小部分功能性单体要合并入一个聚合物链中，什么样的一个比例是最好的，并且它们该如何分配。即使是最成熟的聚合物合成方案，也会产生许多不均一的分子。我们需要理解聚合物的性质和可以得到的分子结构的准确性之间，在一定范围内具有相关性。对于大多数聚合物而言，最基本的动力学方案是在理想的条件下确定的，这些合成过程很少在现实中应用。对聚合物动力学细节方面的理解缺少一些重要的情形，如，在存在流动，相分离，结晶或胶联的情况下进行反应。六 结晶和玻璃化转变，在理论上，这些关于聚合物物理学方面的经典问题已取得实质性进步，虽然在上述两方面依然存在一些重要的挑战。进而，人们在模拟和测定方面取得的进步已经引入到了试验技术领域，因此，实际操作中的重要问题，如流动导致结晶现在可以详细的观测。另一个重要的方面是更全面的理解如下四个方面的关系：1，高分子的化学特性；2链段动力学，或应力松弛，预示着玻璃化转变；3，链段动力学，决定了粘弹反应和机械性质；4，热力学性质决定了特定的非平衡态。大分子的加工与组装聚合物几乎总是液体状态下合成的，往往远离平衡，并且结合玻璃化，结晶，交联而使其变得坚硬;所产生的亚稳材料表现出的历史依赖型结构和属性。通过巧妙处理，某一聚合物或家族聚合物可以转换成各种不同的材料，包括纤维，薄膜，涂层以及件模型部分。 在过去的十年中在纳米级控制结构方面取得一些重大的进展，这种趋势是将肯定扩大的。纳米高分子材料越来越多利用相结合的自上而下的战略，如光刻技术， 与自下而上的方法，如自组装。在这一极其广泛的区域，出现了两个大的挑战。首先是成功实现精密制造二维和三维材料与纳米控制;这既包括周期和非周期性结构，又包括大规模和非常小规模的进程。第二大挑战是改进环境温度，使环境良性进程越过一系列不同的材料平台。虽然这一目标已经明确能够持续性受益，但存在这样的情况就是许多先进的聚合物材料，如电子或生物应用，无法承受高温处理典型的商品热塑性。 小组还确定了一些更有针对性的需求， 包括下列内容：1创新处理的纳米材料，在精确度为数十纳米范围内处理物质是微电子工业的基础，但对规模较小功能的需求超过目前处理（及材料） 能力，利用嵌段共聚物的自组装仅仅是一个创新的加工路线开始，包括底层基材或模板定向自组装，但这个领域广泛对新方法和一系列超越微电子的应用开放。 2. 对三维成型的精确控制。将二维成型工艺扩展到三维是很受期待的，但是重要的扫描，固定步骤是行不通的。自组装技术独自可以产生一些三维结构物质，但仅限于一部分很少的对称结构，应此，包括顶部，底部，上部，下部的创新过程，还有很多空间。.3. 处理复杂的有机，无机系统。这种混合材料的优点就是在这方面有庞大的刺激作用，但加工（例如， 甚至合成作为一个简单的概念均匀分散的纳米颗粒或纳米线）已经被证明非常困难。为了实现较高的控制， 如有精确的方向是一个更大的挑战。4. 低温下环境良性处理。 上文提出的一个大的挑战，有许多具体的要实现的目标，包括低温进程敏感材料;节能处理;有常规处理消除挥发性有机化合物; 改善再循环，例如通过明智的选择添加剂和加工助剂，如成核剂，颜料和脱模剂。5. 对生产过程实时监控。这个总的目标也涉及到表征和性能。这一问题包括两个方面。首先是开发更好的手段定性迄今甚少了解的结构形成进程。二是适用这些作为辅助控制进程。这对许多未来产品尤为重要的这些产品很可能是“高附加值”高分子材料， 这可能通过小规模或小批次生产。综述与展望 在能源部门赞助下基本能源办公室制订了一份题为“指导物质和能量：五个挑战科学和想象”的报告，对广泛领域基础能源科学的重大挑战已经制定了（报告全文在/BES/reports/abstracts.html#GC可以得到）。这是参照比较这些指标与在美国国家科学基金会确定聚合物车间和总结在这里因为尽管基本能源科学报告必然是更广泛的在范围上，有直接类比于所有情况。例如，基本能源科学的第一大挑战是：我们如何在电子水平控制材料工艺？这反映了反映了高分子科学的基本目标，这证明单体电子结构可被极化，和最终组装成的大分子的电子特性，需要彻底调查和了解。同样，第二大挑战是：我们如何设计和完善原子和能源效率合成的革命性新形式的问题？这类似于增加合成的效率和高分子化学可持续性的目标。其余三个挑战可以直接从聚合物研讨会得到：如何使显著的性能问题摆脱复杂性的原子或电子成分，和我们如何能够控制这些性质？ 我们如何才能掌握纳米尺度的能源和信息来创造新的与这些活的东西相媲美的技术？ 我们如何定性和控制尤其是远离平衡的问题？我们认为两份报告的相似之处并非巧合，而是反映了高分子科学的广泛和如何进一步理解和控制高分子材料的性能，通过实验者与理论者的协同合作，最终将有助于解决所有的面向社会的技术问题。面临的挑战是巨大的，但机会也是巨大的，这对于高分子科学的研究工作是一个激动人心的时刻。附录Invited participants in the workshop included the following:Eric Amis (NIST)Kristi Anseth (University of Colorado at Boulder)Lynden Archer (Cornell University)Shenda Baker (Harvey Mu