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合成|首次给乙烯聚合反应“拍电影”，怀柔科学城产学研成果登上《科学》杂志

近期 ， 落户于怀柔科学城的中科合成油技术股份有限公司联合北京大学、中科院 ， 共同攻克了乙烯聚合可视化的难题 ， 首次以分子电影形式展示了表面乙烯聚合的反应过程 ， 让这一微观反应原理具有了“眼见为实”的证据支撑 。 该成果于近日登上了全球顶级学术期刊《科学》杂志 。
【合成|首次给乙烯聚合反应“拍电影”，怀柔科学城产学研成果登上《科学》杂志】合成|首次给乙烯聚合反应“拍电影”，怀柔科学城产学研成果登上《科学》杂志
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当下 ， 乙烯聚合反应用于生产聚乙烯塑料 ， 其每年产量超过一亿吨 ， 是全球产量最大的塑料制品原料 ， 被广泛应用于制造薄膜、容器、纤维和管材等生活用品 ， 但其在催化剂作用下的微观反应过程一直没有被影像捕捉到 ， 也因此 ， 其反应机制一直存在着学术争议 。
乙烯聚合反应主要分为两种方式：自由基聚合和催化聚合 。 1953年 ， 德国化学家齐格纳使用四氯化钛的主催化剂和烷基铝的引发剂催化乙烯聚合 ， 使得聚乙烯的生产条件不再苛刻 ， 从而开创了高分子塑料人工大规模合成的时代 ， 齐格纳也因此获得1963年诺贝尔化学奖 。
此后 ， 菲利普公司发明铬系催化剂 ， 不再需要引发剂 ， 成为目前制造高密度聚乙烯的主流催化剂 。 然而与菲利普催化剂在工业领域的蓬勃发展相比 ， 其在没有引发剂的情况下如何实现链引发 ， 依然困扰着科学界 。
“如果能将乙烯聚合的反应过程用分子电影记录下来 ， 那么对于解释其如何实现链引发将有了‘眼见为实’的证据 。 ”中科科合成油公司总经理李永旺介绍 。 为何这么多年始终无法用视频捕捉表面乙烯聚合的微观反应过程？李永旺告诉采访人员 ， 这是由于当下的聚合反应很多催化剂的成份较为复杂 ， 所以很难拍下单纯的分子链引发机制 。
如何找到一个成分相对单一的催化剂来进行乙烯聚合反应拍摄？中科合成油表面科学实验室周雄研究员等人敏锐地发现 ， 有一个“现成”的拍摄对象 。 那就是利用公司目前主营业务中的费托合成技术 。 通过这一技术 ， 公司实现了将液态煤转化成合成油 。 “费托合成也可视为聚合体系 ， 费托合成催化剂碳化铁极有可能也能活化乙烯聚合 ， 因而解决了乙烯聚合体系模型化的困难 。 ”周雄表示 。
有了“演员” ， 实验室找到北京大学吴凯教授团队来做“摄影师” ， 利用超高空间分辨的单分子表征技术 ， 从而得以在微观尺度上直观观察到这一经典聚合反应 。 研究团队综合多种实验手段和理论计算 ， 确定了在没有引发剂存在时碳化铁表面的乙烯聚合机理 。
3月11日 ， 这一成果以《表面乙烯聚合乙烯插入机制的可视化》为题发表在世界学术顶刊《科学》杂志 ， 杂志还将其列为当期置顶论文 。 德国慕尼黑大学Joost Wintterlin教授撰写专文评论 ， 认为该工作“不仅会引发学术兴趣 ， 还可以对工业应用产生重要影响 ， 相关过程决定了合成聚合物的物理性质和质量” 。 值得一提的是 ， 该成果也是少有的以企业为第一完成单位的顶刊论文 ， 体现了怀柔科学城鼓励产学研合作的理念 。
图片来源：中科合成油

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