劉超

很久以前，人類先是具備了改造自然的能力，然后通過勞動進而進行復(fù)雜的思維，再為改造自然所用。然而，不管兩者誰在前，人類都無法避免要進入到社會，彼此間的交流，總免不了要見見面、拉拉呱。見面也好，拉呱也罷，總不能一絲不掛，“羞羞”不？總是“裸奔”實在有傷大雅，也怪不好意思的。之后的千萬年中，人類開始利用自然界中的植物纖維或動物皮毛“遮羞”，結(jié)束了只靠爛樹葉遮住“三角區(qū)”的尷尬時代，“四條腿”不再被風(fēng)吹日曬，終于可以“捂白白”了。

不得不承認(rèn)，在化學(xué)學(xué)科成立以前，人類窮盡了自己的終極思維，為自己的“時尚之路”“美麗事業(yè)”想盡所想。直至近一百年，一種名為“尼龍”材料的誕生，徹底敲開了現(xiàn)代紡織業(yè)的大門，也讓服裝種類變得更加豐富多彩。

尼龍的誕生，我們必然要感謝一個人，他就是美國化學(xué)家——華萊士·休姆·卡羅瑟斯（1896—1937），尼龍的發(fā)明人（圖1）。

密西西比走來的卡羅瑟斯

1896年4月27日，卡羅瑟斯生于美國中部艾奧瓦州的小城伯靈頓，小城坐落在美國中部大平原的密西西比河畔?？_瑟斯五歲以前的時光，都是在這里度過。當(dāng)他5歲時，隨著父親工作變動，卡羅瑟斯一家舉家遷往艾奧瓦州州府所在地——得梅因。不久，他的父親成為得梅因商學(xué)院的副院長，卡羅瑟斯和3個弟弟、妹妹在這里很順利地完成了中小學(xué)階段的教育。這期間，卡羅瑟斯對自然科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

卡羅瑟斯在1915年考入密蘇里州塔基奧學(xué)院，一開始，從小立志成為“理工男”的他在“父母之命”的強迫下不得不選擇會計專業(yè)（啥？看賬本？我要學(xué)化學(xué)?。?。沒過多久，再也忍受不了內(nèi)心煎熬的卡羅瑟斯毅然決定放棄會計專業(yè)，選擇了化學(xué)專業(yè)。5年后，卡羅瑟斯順利獲得學(xué)士學(xué)位，但他不想就此步入社會，自認(rèn)為自己才剛剛踏進化學(xué)的大門，還有更多的知識需要他去吸收。因此，他進入伊利諾伊大學(xué)繼續(xù)攻讀碩士和博士學(xué)位?？_瑟斯攻讀博士學(xué)位期間，他的導(dǎo)師可是一位化學(xué)屆的“大?！薄挠袡C化學(xué)家羅杰·亞當(dāng)斯（Roger Adams，見圖2）。亞當(dāng)斯不僅個人成就斐然（一生發(fā)表了405篇論文，在其退休以前平均每個月1篇），同時也是一位治學(xué)嚴(yán)格的導(dǎo)師，在嚴(yán)格的學(xué)術(shù)訓(xùn)練下，卡羅瑟斯展現(xiàn)出了相當(dāng)優(yōu)秀的科學(xué)天賦。亞當(dāng)斯對卡羅瑟斯這位最得意的門生的評價是“全美國最杰出的有機化學(xué)家”。

博士畢業(yè)后，卡羅瑟斯先后在伊利諾伊大學(xué)和哈佛大學(xué)擔(dān)任有機化學(xué)專業(yè)的講師，枯燥的教學(xué)工作很難讓他提起興趣，他與一直盼望的實驗和研究始終隔著一層看不見的阻礙。恰在這時，杜邦公司找到哈佛大學(xué)，指名點姓要求見到卡羅瑟斯。為什么？

當(dāng)時，杜邦公司研發(fā)部的負(fù)責(zé)人查爾斯·斯泰恩（Charles Stine）認(rèn)為，公司應(yīng)該加大對基礎(chǔ)技術(shù)的研究力度，有機合成和高分子化學(xué)將會是未來公司仰仗的核心技術(shù)。所以，當(dāng)斯泰恩開始在全美范圍物色在有機化學(xué)方面較為出色的科研人員時，因卡羅瑟斯在攻讀碩士和博士學(xué)位期間發(fā)表了非常有影響力的論文，而進入到斯泰恩的視野。起初，卡羅瑟斯比較猶豫，在企業(yè)雖然可以做自己夢寐以求的科研實驗，但視野容易被束縛。在他依然徘徊不定的時候，杜邦的高管聽說了卡羅瑟斯的顧慮后親自來到哈佛大學(xué)，當(dāng)面向卡羅瑟斯保證：只要卡羅瑟斯能來杜邦，他就可以做自己感興趣的研究，并提供充足的科研經(jīng)費和資源，同時向卡羅瑟斯支付高級科研人員2倍的薪水。杜邦公司的誠意不可謂不堅。1928年，卡羅瑟斯加入杜邦，在他加入后，杜邦專門為他招聘了數(shù)位化學(xué)博士并由他牽頭成立基礎(chǔ)化學(xué)研究所，由卡羅瑟斯擔(dān)任所長。

卡羅瑟斯在杜邦公司正式“開掛”。

高分子世界論短長

合成纖維、合成橡膠和塑料，被稱為“3大有機合成材料”，是通過人工制得，都是由小分子聚合物聚合形成的高分子聚合物，其分子量往往要達到上萬或數(shù)萬。比如常見的聚乙烯就是若干個乙烯分子相連成一個很長很長的分子鏈，進而形成的高分子聚合物。人體中如蛋白質(zhì)和雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）等就是天然的高分子聚合物，是構(gòu)成有機生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。言歸正傳，人類在很早的時候就已經(jīng)對天然纖維進行了利用，如棉、麻、蠶絲等。隨著科技的進步，在19世紀(jì)，人們對高分子聚合物有了初步的認(rèn)識，便開始嘗試用人工合成的方法制造出人們想要的材料。到了卡羅瑟斯進入杜邦公司的時候，許多人對高分子聚合物的微觀機理不甚了解，在他們看來，高分子聚合物與小分子的性質(zhì)則是完全不同，甚至還有人認(rèn)為高分子聚合物存在的真實性，因為高分子聚合物中的分子鏈接并不是依靠小分子間的作用力。然而，也有人提出了不同的觀點，德國著名的化學(xué)家赫爾曼·施陶丁格（Hermann Staudinger，見圖3）就堅定地認(rèn)為：高分子聚合物中的分子鏈更像是女士佩戴的項鏈，將小分子相互聯(lián)系起來的應(yīng)該是化學(xué)鍵。而這是這一思想，施陶丁格因為提出了“大分子”的概念，獲得了1953年的諾貝爾化學(xué)獎。

施陶丁格的理論，無疑與卡羅瑟斯的設(shè)想不謀而合。他認(rèn)為，如果分子間的鏈接是靠化學(xué)鍵，那么就有可能通過人工合成的方法，將小分子變成高分子。但是，想法很容易，怎么做呢？設(shè)想有2個不同的分子，其中一個帶有A結(jié)構(gòu)，另外一個帶有B結(jié)構(gòu)，同時A和B可以在一定的條件下變成A—B結(jié)構(gòu)，也就是說這2個分子在一定條件下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變成一個分子。舉例說明，一個乙酸（醋酸）分子和一個乙醇（酒精）分子在特定條件下發(fā)生反應(yīng)會生成一個大分子結(jié)構(gòu)——乙酸乙酯見（圖4），但這個大分子仍然不是聚合物。再如果，一個分子中帶有兩個A結(jié)構(gòu)，就是“AA”結(jié)構(gòu)，再與兩個B結(jié)構(gòu)分子的“BB”結(jié)構(gòu)相連，會是什么結(jié)果？假設(shè)2種物質(zhì)在數(shù)量相同的情況下，只要保證足夠量，那么2種物質(zhì)會一致反應(yīng)下去。舉例：用乙二酸與乙二醇反應(yīng)，生成的就是聚酯。聚酯就是高分子聚合物。然而，理想很豐滿，現(xiàn)實卻很骨感。

通過實驗得知，酸和醇的酯化反應(yīng)是可逆的，性能極其不穩(wěn)定。如何解決這個問題，卡羅瑟斯在很長時間內(nèi)依然是百思不得其解。其實，卡羅瑟斯太關(guān)注分子間的鏈接機理，忽略了一個最簡單的問題，那就是酯化反應(yīng)的副產(chǎn)物。這個副產(chǎn)物就是——水。如果在反應(yīng)的同時，不斷地清理掉水，那么酯化反應(yīng)就不再是可逆反應(yīng)，會一直朝著預(yù)定方向反應(yīng)下去。經(jīng)過多次試驗和改進反應(yīng)設(shè)備，水的問題終于得到解決。隨著分子量不斷地升高，材料的物理性能和機械性能也在不斷提高。讓卡羅瑟斯更加欣喜的是，通過除水的方法制得的聚酯可以拉成纖維，其強度和力學(xué)性能要遠高于天然纖維中的棉纖維和蠶絲。這一發(fā)現(xiàn)，讓卡羅瑟斯感覺，人工合成纖維時代即將到來。

就像吳承恩《西游記》里的橋段一樣：九九八十一難，差一難都難得真經(jīng)。用上述方法制成的聚酯纖維熔點極低，甚至遇到熱水就會成團，根本不能實用?？_瑟斯與團隊不斷改進制備方法，甚至是更換原料，但依然解決不了這個問題。終于，在卡羅瑟斯加入杜邦5年后的1933年，受杜邦公司的市場戰(zhàn)略決策影響，由卡羅瑟斯主持的人工合成纖維項目宣告失敗。這次失敗，讓卡羅瑟斯在很長時期內(nèi)都難以釋懷。筆者相信，如果再給卡羅瑟斯多一些時間，他就有可能通過試錯的方法試到對苯二甲酸。多年后，英國化學(xué)家約翰·溫菲爾德（John Whinfield）和詹姆斯·迪克遜（James Dickson）正是用對苯二甲酸成功制得聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），就是現(xiàn)在俗稱的“滌綸”。

正如歷史記載的那樣，卡羅瑟斯度過“八十一難”之后，終于沒有讓成功與自己失之交臂。怎么回事兒呢？就在卡羅瑟斯努力攻克其他高分子聚合物基礎(chǔ)技術(shù)的時候，他進入杜邦公司的“伯樂”斯泰恩升職，接替斯泰恩職務(wù)的埃爾默·博爾頓（Elmer Bolton）成為杜邦公司研發(fā)部新的負(fù)責(zé)人。博爾頓認(rèn)為，合成纖維在未來仍舊會是最有潛力的市場之一。在他的堅持下，卡羅瑟斯又回到了對合成纖維的研究工作中。

有了之前的經(jīng)驗，卡羅瑟斯跳過了合成聚酯的酯化反應(yīng)，改用二元酸與胺，生成酰胺。酰胺，早在1806年就已經(jīng)被法國化學(xué)家沃克蘭與羅比奎特發(fā)現(xiàn)并成功合成，他們從蘆筍中提取分離出的一種氨基酸被稱為“天冬酰胺”。氨基酸分子反應(yīng)后相互彼此連接生成的物質(zhì)就是酰胺，正式蛋白質(zhì)形成的基礎(chǔ)。卡羅瑟斯距離“nylon”更近了。

選定了反應(yīng)初始材料，卡羅瑟斯依然按照之前的思路，讓2個胺結(jié)構(gòu)的二元胺分子與2個酸結(jié)構(gòu)的二元酸分子進行反應(yīng)，或者直接讓2個氨基酸分子直接反應(yīng)（圖5）。實驗證明，卡羅瑟斯的思路完全正確，最終得到了高分子聚合物的——聚酰胺，就是我們現(xiàn)在俗稱的“尼龍”。材料已然制出，接下來就要對材料的性能進行測試，測試結(jié)果表明：聚酰胺的熔點明顯高于聚酯很多，且不溶于有機溶劑。之后，卡羅瑟斯又利用不同的氨基酸進行聚合反應(yīng)，生成了多種聚酰胺。其中，用己二酸和己二胺制成的聚酰胺性能最高，且原材料易獲得，最終被杜邦公司實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，這就是以后著名的——尼龍66（圖6）。

最初，卡羅瑟斯并不知道被他合成出來的聚酰胺會被稱為“尼龍66”，當(dāng)時他為這種化合物取名為“纖維66（己二酸和己二胺都是有6個碳原子組成的碳環(huán)，“66”因此得名）”，但是這個名字連卡羅瑟斯自己都覺得“土得掉渣兒”。杜邦公司向化學(xué)界征集這種聚酰胺的名字。最終，“nylon”勝出，因為這個詞的發(fā)音與“no run（譯為：不跑線）”相似。

作為一代化學(xué)天才，卡羅瑟斯不僅成功合成了高分子纖維——尼龍，并將其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；他還促成了第一種合成橡膠——氯丁橡膠的發(fā)明；1936年，卡羅瑟斯當(dāng)選美國國家科學(xué)院院士，成為美國化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域第一位獲此殊榮的科學(xué)家；卡羅瑟斯提出了富有真知灼見性的預(yù)測——卡羅瑟斯方程，即預(yù)測高分子聚合物分子量的方程，成為至今高分子科學(xué)專業(yè)學(xué)生的必修內(nèi)容。遺憾的是，由于長期受到抑郁癥的困擾，1937年4月28日，過完41歲生日的卡羅瑟斯將自己關(guān)在費城的一家旅館，默默喝下了放有氰化物的果汁，結(jié)束了自己的生命。

一位化學(xué)巨星就此隕落。

路易十四會不會復(fù)活？

卡羅瑟斯去世后的第2年，也就是1938年的10月，杜邦公司將尼龍66制成的絲襪向公眾面世，2年后在全美銷售 （圖7）。據(jù)說，在一個小城，曾經(jīng)創(chuàng)下過3小時賣掉4 000雙尼龍絲襪的記錄，而全美更是在4天銷售400萬雙這一“前無古人，后不知道有沒有來者”的驚人成績。

美國因為尼龍的發(fā)明和國產(chǎn)化在戰(zhàn)略物資上不再受到日本的制約，這一點在第二次世界大戰(zhàn)期間極端重要。二戰(zhàn)爆發(fā)時，恰逢杜邦公開尼龍研制獲得成功，美國開始著手進行戰(zhàn)爭物資外銷，準(zhǔn)備狠狠地向參戰(zhàn)國橫敲一筆。這時，“不開眼”的日本帝國海軍偷襲了珍珠港，美國被迫應(yīng)戰(zhàn)。尼龍就是從這個時候開始，為美國贏得二戰(zhàn)勝利發(fā)揮了重要的作用。如軍裝、戰(zhàn)士軍襪、降落傘、飛機輪胎簾子布等戰(zhàn)爭物資都是由尼龍制成。可以說尼龍為盟軍二戰(zhàn)的最終勝利作出了巨大的貢獻。

前文提到，尼龍最早被民眾熟知是因為尼龍絲襪的普及，那么如果這個消息被“太陽王”路易十四知道的話，會不會從圣德尼大教堂里面的墓室中跳出來？這當(dāng)然是玩笑話。從現(xiàn)在法國許多博物館里面珍藏的有路易十四各時期的肖像油畫就可以看出，路易十四從小就是穿絲襪長大的（圖8）。當(dāng)然，這不能說路易十四就是“戀物癖”或變態(tài)。其實主要原因是因為，路易十四身高不高，作為當(dāng)時歐洲的“總瓢把子”，其國君是個“武大郎”確實“有傷風(fēng)化”。怎么辦？路易十四就穿短褲（穿短褲不是顯得腿長嘛），但是一眾腿毛黑黢黢的多難看啊？有辦法，路易十四就讓御用服裝設(shè)計師設(shè)計出了真絲長筒襪，穿上之后既顯得美觀又能體現(xiàn)“大長腿”。就這樣，當(dāng)路易十四穿著長筒襪，踩著高跟鞋（據(jù)說也是路易十四發(fā)明，身高爆發(fā)出的想象力）出現(xiàn)在所有王公大臣面前，還別說，真不難看。之后，在歐洲的貴族圈子就刮起了“男人穿長筒襪”的“時尚風(fēng)”。當(dāng)然，路易十四的趣聞只是關(guān)于絲襪的一段故事。但是，不能否認(rèn)，尼龍的發(fā)明確實給服裝產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的發(fā)展。

在尼龍66被卡羅瑟斯發(fā)明出來之后的幾十年，先后又出現(xiàn)了尼龍6、尼龍610、尼龍1010等用不同種類酸與胺等原材料生產(chǎn)的多種衍生品。

在我國，新中國建國后的第一批國產(chǎn)己內(nèi)酰胺（尼龍6）實驗樣品是由遼寧省錦西（現(xiàn)在的遼寧省葫蘆島市）化工廠在1958年4月試制完成。再由當(dāng)時的北京纖維廠進行工業(yè)化生產(chǎn)。尼龍纖維的國產(chǎn)化，拉開了新中國合成纖維工業(yè)的序幕。國產(chǎn)尼龍6的樣品是在錦西化工廠誕生，所以國產(chǎn)尼龍6又被稱為“錦綸”。錦綸對當(dāng)時新中國的國防建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作出了不可磨滅的貢獻。

回顧尼龍纖維的誕生史，我們除了有感于路易十四的詼諧、尼龍之于我國經(jīng)濟建設(shè)的巨大貢獻外，更要記住和緬懷其發(fā)明人——卡羅瑟斯。

卡羅瑟斯的一生雖然短暫，但在這短暫的人生中所爆發(fā)出的光芒會永遠照耀著全人類不斷地對科學(xué)進行探索和發(fā)現(xiàn)。