刘超

很久以前，人类先是具备了改造自然的能力，然后通过劳动进而进行复杂的思维，再为改造自然所用。然而，不管两者谁在前，人类都无法避免要进入到社会，彼此間的交流，总免不了要见见面、拉拉呱。见面也好，拉呱也罢，总不能一丝不挂，“羞羞”不？总是“裸奔”实在有伤大雅，也怪不好意思的。之后的千万年中，人类开始利用自然界中的植物纤维或动物皮毛“遮羞”，结束了只靠烂树叶遮住“三角区”的尴尬时代，“四条腿”不再被风吹日晒，终于可以“捂白白”了。

不得不承认，在化学学科成立以前，人类穷尽了自己的终极思维，为自己的“时尚之路”“美丽事业”想尽所想。直至近一百年，一种名为“尼龙”材料的诞生，彻底敲开了现代纺织业的大门，也让服装种类变得更加丰富多彩。

尼龙的诞生，我们必然要感谢一个人，他就是美国化学家——华莱士·休姆·卡罗瑟斯（1896—1937），尼龙的发明人（图1）。

密西西比走来的卡罗瑟斯

1896年4月27日，卡罗瑟斯生于美国中部艾奥瓦州的小城伯灵顿，小城坐落在美国中部大平原的密西西比河畔。卡罗瑟斯五岁以前的时光，都是在这里度过。当他5岁时，随着父亲工作变动，卡罗瑟斯一家举家迁往艾奥瓦州州府所在地——得梅因。不久，他的父亲成为得梅因商学院的副院长，卡罗瑟斯和3个弟弟、妹妹在这里很顺利地完成了中小学阶段的教育。这期间，卡罗瑟斯对自然科学产生了浓厚的兴趣。

卡罗瑟斯在1915年考入密苏里州塔基奥学院，一开始，从小立志成为“理工男”的他在“父母之命”的强迫下不得不选择会计专业（啥？看账本？我要学化学！）。没过多久，再也忍受不了内心煎熬的卡罗瑟斯毅然决定放弃会计专业，选择了化学专业。5年后，卡罗瑟斯顺利获得学士学位，但他不想就此步入社会，自认为自己才刚刚踏进化学的大门，还有更多的知识需要他去吸收。因此，他进入伊利诺伊大学继续攻读硕士和博士学位。卡罗瑟斯攻读博士学位期间，他的导师可是一位化学届的“大牛”——著名的有机化学家罗杰·亚当斯（Roger Adams，见图2）。亚当斯不仅个人成就斐然（一生发表了405篇论文，在其退休以前平均每个月1篇），同时也是一位治学严格的导师，在严格的学术训练下，卡罗瑟斯展现出了相当优秀的科学天赋。亚当斯对卡罗瑟斯这位最得意的门生的评价是“全美国最杰出的有机化学家”。

博士毕业后，卡罗瑟斯先后在伊利诺伊大学和哈佛大学担任有机化学专业的讲师，枯燥的教学工作很难让他提起兴趣，他与一直盼望的实验和研究始终隔着一层看不见的阻碍。恰在这时，杜邦公司找到哈佛大学，指名点姓要求见到卡罗瑟斯。为什么？

当时，杜邦公司研发部的负责人查尔斯·斯泰恩（Charles Stine）认为，公司应该加大对基础技术的研究力度，有机合成和高分子化学将会是未来公司仰仗的核心技术。所以，当斯泰恩开始在全美范围物色在有机化学方面较为出色的科研人员时，因卡罗瑟斯在攻读硕士和博士学位期间发表了非常有影响力的论文，而进入到斯泰恩的视野。起初，卡罗瑟斯比较犹豫，在企业虽然可以做自己梦寐以求的科研实验，但视野容易被束缚。在他依然徘徊不定的时候，杜邦的高管听说了卡罗瑟斯的顾虑后亲自来到哈佛大学，当面向卡罗瑟斯保证：只要卡罗瑟斯能来杜邦，他就可以做自己感兴趣的研究，并提供充足的科研经费和资源，同时向卡罗瑟斯支付高级科研人员2倍的薪水。杜邦公司的诚意不可谓不坚。1928年，卡罗瑟斯加入杜邦，在他加入后，杜邦专门为他招聘了数位化学博士并由他牵头成立基础化学研究所，由卡罗瑟斯担任所长。

卡罗瑟斯在杜邦公司正式“开挂”。

高分子世界论短长

合成纤维、合成橡胶和塑料，被称为“3大有机合成材料”，是通过人工制得，都是由小分子聚合物聚合形成的高分子聚合物，其分子量往往要达到上万或数万。比如常见的聚乙烯就是若干个乙烯分子相连成一个很长很长的分子链，进而形成的高分子聚合物。人体中如蛋白质和双螺旋结构的DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）等就是天然的高分子聚合物，是构成有机生命的物质基础。言归正传，人类在很早的时候就已经对天然纤维进行了利用，如棉、麻、蚕丝等。随着科技的进步，在19世纪，人们对高分子聚合物有了初步的认识，便开始尝试用人工合成的方法制造出人们想要的材料。到了卡罗瑟斯进入杜邦公司的时候，许多人对高分子聚合物的微观机理不甚了解，在他们看来，高分子聚合物与小分子的性质则是完全不同，甚至还有人认为高分子聚合物存在的真实性，因为高分子聚合物中的分子链接并不是依靠小分子间的作用力。然而，也有人提出了不同的观点，德国著名的化学家赫尔曼·施陶丁格（Hermann Staudinger，见图3）就坚定地认为：高分子聚合物中的分子链更像是女士佩戴的项链，将小分子相互联系起来的应该是化学键。而这是这一思想，施陶丁格因为提出了“大分子”的概念，获得了1953年的诺贝尔化学奖。

施陶丁格的理论，无疑与卡罗瑟斯的设想不谋而合。他认为，如果分子间的链接是靠化学键，那么就有可能通过人工合成的方法，将小分子变成高分子。但是，想法很容易，怎么做呢？设想有2个不同的分子，其中一个带有A结构，另外一个带有B结构，同时A和B可以在一定的条件下变成A—B结构，也就是说这2个分子在一定条件下会发生化学反应变成一个分子。举例说明，一个乙酸（醋酸）分子和一个乙醇（酒精）分子在特定条件下发生反应会生成一个大分子结构——乙酸乙酯见（图4），但这个大分子仍然不是聚合物。再如果，一个分子中带有两个A结构，就是“AA”结构，再与两个B结构分子的“BB”结构相连，会是什么结果？假设2种物质在数量相同的情况下，只要保证足够量，那么2种物质会一致反应下去。举例：用乙二酸与乙二醇反应，生成的就是聚酯。聚酯就是高分子聚合物。然而，理想很丰满，现实却很骨感。

通过实验得知，酸和醇的酯化反应是可逆的，性能极其不稳定。如何解决这个问题，卡罗瑟斯在很长时间内依然是百思不得其解。其实，卡罗瑟斯太关注分子间的链接机理，忽略了一个最简单的问题，那就是酯化反应的副产物。这个副产物就是——水。如果在反应的同时，不断地清理掉水，那么酯化反应就不再是可逆反应，会一直朝着预定方向反应下去。经过多次试验和改进反应设备，水的问题终于得到解决。随着分子量不断地升高，材料的物理性能和机械性能也在不断提高。让卡罗瑟斯更加欣喜的是，通过除水的方法制得的聚酯可以拉成纤维，其强度和力学性能要远高于天然纤维中的棉纤维和蚕丝。这一发现，让卡罗瑟斯感觉，人工合成纤维时代即将到来。

就像吴承恩《西游记》里的桥段一样：九九八十一难，差一难都难得真经。用上述方法制成的聚酯纤维熔点极低，甚至遇到热水就会成团，根本不能实用。卡罗瑟斯与团队不断改进制备方法，甚至是更换原料，但依然解决不了这个问题。终于，在卡罗瑟斯加入杜邦5年后的1933年，受杜邦公司的市场战略决策影响，由卡罗瑟斯主持的人工合成纤维项目宣告失败。这次失败，让卡罗瑟斯在很长时期内都难以释怀。笔者相信，如果再给卡罗瑟斯多一些时间，他就有可能通过试错的方法试到对苯二甲酸。多年后，英国化学家约翰·温菲尔德（John Whinfield）和詹姆斯·迪克逊（James Dickson）正是用对苯二甲酸成功制得聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），就是现在俗称的“涤纶”。

正如历史记载的那样，卡罗瑟斯度过“八十一难”之后，终于没有让成功与自己失之交臂。怎么回事儿呢？就在卡罗瑟斯努力攻克其他高分子聚合物基础技术的时候，他进入杜邦公司的“伯乐”斯泰恩升职，接替斯泰恩职务的埃尔默·博尔顿（Elmer Bolton）成为杜邦公司研发部新的负责人。博尔顿认为，合成纤维在未来仍旧会是最有潜力的市场之一。在他的坚持下，卡罗瑟斯又回到了对合成纤维的研究工作中。

有了之前的经验，卡罗瑟斯跳过了合成聚酯的酯化反应，改用二元酸与胺，生成酰胺。酰胺，早在1806年就已经被法国化学家沃克兰与罗比奎特发现并成功合成，他们从芦笋中提取分离出的一种氨基酸被称为“天冬酰胺”。氨基酸分子反应后相互彼此连接生成的物质就是酰胺，正式蛋白质形成的基础。卡罗瑟斯距离“nylon”更近了。

选定了反应初始材料，卡罗瑟斯依然按照之前的思路，让2个胺结构的二元胺分子与2个酸结构的二元酸分子进行反应，或者直接让2个氨基酸分子直接反应（图5）。实验证明，卡罗瑟斯的思路完全正确，最终得到了高分子聚合物的——聚酰胺，就是我们现在俗称的“尼龙”。材料已然制出，接下来就要对材料的性能进行测试，测试结果表明：聚酰胺的熔点明显高于聚酯很多，且不溶于有机溶剂。之后，卡罗瑟斯又利用不同的氨基酸进行聚合反应，生成了多种聚酰胺。其中，用己二酸和己二胺制成的聚酰胺性能最高，且原材料易获得，最终被杜邦公司实现了产业化，这就是以后著名的——尼龙66（图6）。

最初，卡罗瑟斯并不知道被他合成出来的聚酰胺会被称为“尼龙66”，当时他为这种化合物取名为“纤维66（己二酸和己二胺都是有6个碳原子组成的碳环，“66”因此得名）”，但是这个名字连卡罗瑟斯自己都觉得“土得掉渣儿”。杜邦公司向化学界征集这种聚酰胺的名字。最终，“nylon”胜出，因为这个词的发音与“no run（译为：不跑线）”相似。

作为一代化学天才，卡罗瑟斯不仅成功合成了高分子纤维——尼龙，并将其实现产业化；他还促成了第一种合成橡胶——氯丁橡胶的发明；1936年，卡罗瑟斯当选美国国家科学院院士，成为美国化学工业领域第一位获此殊荣的科学家；卡罗瑟斯提出了富有真知灼见性的预测——卡罗瑟斯方程，即预测高分子聚合物分子量的方程，成为至今高分子科学专业学生的必修内容。遗憾的是，由于长期受到抑郁症的困扰，1937年4月28日，过完41岁生日的卡罗瑟斯将自己关在费城的一家旅馆，默默喝下了放有氰化物的果汁，结束了自己的生命。

一位化学巨星就此陨落。

路易十四会不会复活？

卡罗瑟斯去世后的第2年，也就是1938年的10月，杜邦公司将尼龙66制成的丝袜向公众面世，2年后在全美销售 （图7）。据说，在一个小城，曾经创下过3小时卖掉4 000双尼龙丝袜的记录，而全美更是在4天销售400万双这一“前无古人，后不知道有没有来者”的惊人成绩。

美国因为尼龙的发明和国产化在战略物资上不再受到日本的制约，这一点在第二次世界大战期间极端重要。二战爆发时，恰逢杜邦公开尼龙研制获得成功，美国开始着手进行战争物资外销，准备狠狠地向参战国横敲一笔。这时，“不开眼”的日本帝国海军偷袭了珍珠港，美国被迫应战。尼龙就是从这个时候开始，为美国赢得二战胜利发挥了重要的作用。如军装、战士军袜、降落伞、飞机轮胎帘子布等战争物资都是由尼龙制成。可以说尼龙为盟军二战的最終胜利作出了巨大的贡献。

前文提到，尼龙最早被民众熟知是因为尼龙丝袜的普及，那么如果这个消息被“太阳王”路易十四知道的话，会不会从圣德尼大教堂里面的墓室中跳出来？这当然是玩笑话。从现在法国许多博物馆里面珍藏的有路易十四各时期的肖像油画就可以看出，路易十四从小就是穿丝袜长大的（图8）。当然，这不能说路易十四就是“恋物癖”或变态。其实主要原因是因为，路易十四身高不高，作为当时欧洲的“总瓢把子”，其国君是个“武大郎”确实“有伤风化”。怎么办？路易十四就穿短裤（穿短裤不是显得腿长嘛），但是一众腿毛黑黢黢的多难看啊？有办法，路易十四就让御用服装设计师设计出了真丝长筒袜，穿上之后既显得美观又能体现“大长腿”。就这样，当路易十四穿着长筒袜，踩着高跟鞋（据说也是路易十四发明，身高爆发出的想象力）出现在所有王公大臣面前，还别说，真不难看。之后，在欧洲的贵族圈子就刮起了“男人穿长筒袜”的“时尚风”。当然，路易十四的趣闻只是关于丝袜的一段故事。但是，不能否认，尼龙的发明确实给服装产业带来了巨大的发展。

在尼龙66被卡罗瑟斯发明出来之后的几十年，先后又出现了尼龙6、尼龙610、尼龙1010等用不同种类酸与胺等原材料生产的多种衍生品。

在我国，新中国建国后的第一批国产己内酰胺（尼龙6）实验样品是由辽宁省锦西（现在的辽宁省葫芦岛市）化工厂在1958年4月试制完成。再由当时的北京纤维厂进行工业化生产。尼龙纤维的国产化，拉开了新中国合成纤维工业的序幕。国产尼龙6的样品是在锦西化工厂诞生，所以国产尼龙6又被称为“锦纶”。锦纶对当时新中国的国防建设和基础设施建设作出了不可磨灭的贡献。

回顾尼龙纤维的诞生史，我们除了有感于路易十四的诙谐、尼龙之于我国经济建设的巨大贡献外，更要记住和缅怀其发明人——卡罗瑟斯。

卡罗瑟斯的一生虽然短暂，但在这短暂的人生中所爆发出的光芒会永远照耀着全人类不断地对科学进行探索和发现。