發(fā)生在32攝氏度的神奇轉(zhuǎn)變，能為我們帶來什么？

作者：魏昕宇（材料學(xué)博士）

如果讓大家回憶一下剛開始學(xué)習(xí)化學(xué)時做過哪些實(shí)驗(yàn)，配制溶液應(yīng)該是其中之一。設(shè)想你被要求配制化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里常用的氫氧化鈉溶液，但無論如何攪拌，總有一些氫氧化鈉固體不肯溶解在水中，老師多半會告訴你，把燒杯加熱就可以了。加熱不僅能夠促進(jìn)固體的溶解，而且一般來說，固體在水中的溶解度總是隨著溫度升高而增加 [1] ，例如20 oC時100克水中能夠溶解109克氫氧化鈉，而溫度升高到60 oC時，這個數(shù)字就增加到了174克 [2] 。

聚（N-異丙基丙烯酰胺）的化學(xué)結(jié)構(gòu)

不過既然有一般也就意味著特殊情況的存在。例如一種名為聚（N-異丙基丙烯酰胺）（英文縮寫為PNIPAm）的物質(zhì)雖然也能溶于水，但升高溫度不僅無助于溶解更多的它，相反，如果把溶有聚（N-異丙基丙烯酰胺）的水加熱，原本澄清的水會變得渾濁，這說明溫度越高，聚（N-異丙基丙烯酰胺）反而越難溶在水里[3]。

原本澄清的聚（N-異丙基丙烯酰胺）水溶液在溫度升高后會變渾濁，溫度降低后又會重新變澄清，顯示聚（N-異丙基丙烯酰胺）在水中的溶解度隨溫度升高而降低。根據(jù)來自參考資料[4]的視頻制圖

為什么會出現(xiàn)這種奇怪的現(xiàn)象呢？這是因?yàn)榫郏∟-異丙基丙烯酰胺）的分子中含有氮原子和氧原子的的那一部分，也即所謂的酰胺結(jié)構(gòu)，能夠和水分子之間形成著一種名為氫鍵的相互作用，這種作用會試圖讓聚（N-異丙基丙烯酰胺）溶在水中。然而聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子中不喜歡水的也不在少數(shù)，例如分子骨架中那長長的碳鏈，見到水躲還躲不及呢，更別提溶在水中了。當(dāng)溫度比較低時，氫鍵的力量要明顯更強(qiáng)，因此要求聚（N-異丙基丙烯酰胺）溶于水的“聲音”占據(jù)了主導(dǎo)地位。然而隨著溫度的升高，要求聚（N-異丙基丙烯酰胺）不溶于水的呼聲越來越強(qiáng)。終于，到了某個溫度，形勢徹底逆轉(zhuǎn)，原本溶于水的聚（N-異丙基丙烯酰胺）與水徹底分離，聚集并塌縮成較為密實(shí)的微小顆粒。這些微粒讓原本透過溶液的光變得發(fā)散，于是透明的溶液就變得渾濁起來呢 [5] 。

聚（N-異丙基丙烯酰胺）在水中的溶解度隨著溫度升高而降低的現(xiàn)象十分有趣。不過如果你以為這種現(xiàn)象只是為教科書增加一點(diǎn)敘述的篇幅，那就大錯特錯了。實(shí)際上，近些年來，許多科學(xué)家透過這種現(xiàn)象看到了背后無窮的潛力。在他們的努力下，聚（N-異丙基丙烯酰胺）一躍成為頗為熱門的明星材料。

那么聚（N-異丙基丙烯酰胺）的這種現(xiàn)象為何備受關(guān)注？關(guān)鍵在于它從溶于水到不溶于水的轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度，不高不低，剛好是攝氏32度[5,6]。

有的朋友可能還是一頭霧水：攝氏32度又有什么特殊的呢？那么我要友情提示一下：這個轉(zhuǎn)變溫度相當(dāng)接近于人的正常體溫了。

如果你還沒有意識到接近體溫意味著什么也沒有關(guān)系，讓我們先來認(rèn)識一種名叫水凝膠的材料。

從水凝膠談起

聚（N-異丙基丙烯酰胺）的名字中帶有一個“聚”字，表明它是一種聚合物，或者說高分子化合物。除了聚（N-異丙基丙烯酰胺），還有許多聚合物也能溶在水中，例如聚丙烯酸鈉、聚乙二醇等等，它們被稱為水溶性聚合物。這些聚合物的分子雖然十分龐大，像一根根長長的線條，但只要條件合適，它們同樣可以像它們的小分子堂兄弟一樣，分散到水分子中去，和對方打成一片。

有一種叫做交聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)，它能夠把一根根聚合物分子的線條連接起來變成一個三維的網(wǎng)絡(luò)，或者換句話說，把許許多多的分子連接起來變成一個更加龐大的分子，橡膠就是典型的經(jīng)過交聯(lián)的聚合物。如果我們把聚（N-異丙基丙烯酰胺）等水溶性聚合物交聯(lián)起來，再投入水中，由于原本獨(dú)立的聚合物分子已經(jīng)被互相連接到了一起，它們顯然已經(jīng)不能再分散到水中了。

普通的水溶性聚合物（上）遇到水會溶解，而經(jīng)過交聯(lián)的水溶性聚合物遇水不再溶解，而是形成水凝膠

然而這些聚合物仍然希望和水分子盡可能保持親密接觸，那么怎么辦呢？聰明的水分子說，既然你來我家不方便，那么我改到你的府上拜訪吧。水溶性聚合物說，這確實(shí)是個不錯的想法，不過請先容許我為你騰點(diǎn)地方。本來干燥狀態(tài)下水溶性聚合物的分子鏈條是緊密蜷縮在一起的，遇到水之后，它們會變得舒展，而水分子則乘機(jī)進(jìn)入分子鏈條之間的空隙。于是我們會看到投入水中的經(jīng)過交聯(lián)的水溶性聚合物不僅不會逐漸消失，反而會愈發(fā)膨脹，而與此同時，水倒是越來越少。當(dāng)水徹底消失后，我們得到一塊柔軟的固體，這就是水凝膠[7]。我們經(jīng)常見到的果凍，就是水凝膠的一種。

人們雖然很早就認(rèn)識了水凝膠，但它最初只是出現(xiàn)在餐桌上。直到上世紀(jì)中葉，一位名叫奧托·威特勒（Otto Wichterle）的捷克化學(xué)家突然意識到：哎呀，這么好的東西，只是作為人們的飯后零食實(shí)在是太屈才了。

奧托·威特勒（ 1913-1998)。圖片引自http://www-old.national-geographic.cz/fotogalerie/otto-wichterle-1083/5368

水凝膠有什么用？

威特勒當(dāng)時正致力于隱形眼鏡鏡片材料的開發(fā)。隱形眼鏡的概念雖然從達(dá)芬奇那個時代就有了，但由于沒有合適的材料作為鏡片，很長時間以來只能是停留在紙面上的構(gòu)想。直到進(jìn)入20世紀(jì)，隨著合成塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，人們才找到了有機(jī)玻璃這樣輕質(zhì)耐用又高度透明的鏡片材料。然而作為鏡片材料，有機(jī)玻璃有兩個很大的缺陷：第一，它太硬了，與柔軟的眼球直接接觸，會讓使用者覺得很不舒服。如果說不舒服的感覺還可以慢慢適應(yīng)，那第二個缺陷就更加致命了：人的眼球不能從血液中獲得所需的全部氧氣，因此必須與空氣保持直接接觸，而類似有機(jī)玻璃這樣的合成塑料偏偏透氣性極差，因此用這樣的材料制成的隱形眼鏡佩戴久了勢必影響眼睛的健康。

威特勒想到，如果改用水凝膠作為鏡片的材料，這兩個問題都可以迎刃而解。顧名思義，水凝膠中大部分都是水，因此自然非常地柔軟。更為重要的是，水的存在讓空氣更為方便地穿過鏡片，因此鏡片的透氣性也大大提高。在克服了最初的一些技術(shù)挑戰(zhàn)之后，威特勒成功制出了以水凝膠為材質(zhì)的隱形眼鏡。經(jīng)過不斷的改進(jìn)，這種隱形眼鏡逐漸發(fā)展成如今占據(jù)市場支配地位的軟性隱形眼鏡。

威特勒不僅成功發(fā)明軟性隱形眼鏡，還為水凝膠指出了更為光明的前景，而聚（N-異丙基丙烯酰胺）大顯身手的機(jī)會也隨之而來。

參考文獻(xiàn)和注釋

[1] 氣體在液體中的溶解度則隨著溫度升高而降低

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Solubility_table

[3] 這樣的現(xiàn)象被稱為低臨界共溶溫度 (lower critical solution temperature, LCST) ，指的是一個混合物中的各個組分只有在低于某一溫度時才能互溶。與之相對應(yīng)的是高臨界共溶溫度(upper critical solution temperature, UCST) ，即溫度高于某一溫度時各組分才能互相溶解

[4] https://www.youtube.com/watch?v=iBZAwhxwHX0

[5] Leda Klouda, Antonios G. Mikos, “Thermoresponsive hydrogels in biomedical applications”, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2008, 68, 34-45

[6 H. G. Schild, “Poly(N-isopropylacrylamide): experiment, theory and application”, Progress in Polymer Science, 1992, 17, 163-249

[7] 除了化學(xué)反應(yīng)，一些物理作用也可以使得水溶性聚合物形成三維網(wǎng)絡(luò)，從而在遇到水時形成水凝膠