纽约 1939—40年世界博览会 是当时世界上规模最宏大的博览会之一。法拉盛草原公园位于皇后区，参观者受邀前往一睹“明日世界”，首次见识电视、可视电话和福特野马等奇观。
这也是人们首次见到尼龙——世界上第一种完全合成的人造纤维。展示现场，两台针织机将尼龙织成连裤袜，两名模特则进行拔河，以展示这种织物的强度。四年前，杜邦研究部门的 华莱士·卡罗瑟斯 团队发现了尼龙。博览会上展出的尼龙袜被称为一种新型袜品，“完全由煤、水和空气等常见原料制成”，并可纺成“强度堪比钢铁”的长丝。
尼龙袜后来 果然 大获成功，仅第一年就为杜邦售出6400万双。尼龙的性能优于天然材料蚕丝，很快便有了许多实用用途，尽管其中一些不那么时尚。如今，尼龙仍广泛用于织物、家具装饰面料、体育用品、乐器弦和汽车零部件。
自全合成材料新时代开启以来，材料领域的发展速度在历史上前所未有。化学家发现了新的催化剂，并开发出新的合成途径，将小分子连接成长链聚合物，使其具备特定用途所需的性能——例如我们用于地毯的 聚丙烯纤维 ，或用于制造塑料瓶的硬质 聚乙烯 。
物理学家、材料科学家和工程师还设计了新的加工方法与技术，以提升材料性能，制造出诸如超坚韧的 凯夫拉等材料。
与此同时，我们的要求日益提高，这完全合情合理。我们期待产品能进一步提升生活品质，也希望材料和技术能越来越节能、可持续，并有助于减少全球污染。这是一项挑战。
以下是将塑造未来的五类聚合物。
1. 生物塑料
我们常常听到这样的提醒：塑料不会降解，是一种十分显眼的环境污染源。更复杂的是，这些材料的基本构件——即所谓的单体——历来取自不可再生的原油。
但情况正在改变。得益于酶和催化剂使用工艺方面的创新，人们越来越有可能将 沼气 等可再生资源转化为制造塑料和 合成橡胶所需的主要构件。
这些物质具有可持续性，因为它们能节约化石资源。但当然，这只部分解决了问题。除非它们也能够生物降解，否则仍会对环境造成问题。
2. 塑料复合材料／纳米复合材料
塑料复合材料是指加入不同纤维以增强强度或弹性的塑料。例如，将碳纤维嵌入聚合物中，就能增强其强度，制成轻质材料，非常适合用于现代节能交通工具。
这类纤维增强塑料的应用日益广泛，尤其是在航空航天业（ 波音787 和 空客A360 的复合材料占比均为50%）。若不是成本高昂，这些材料本可用于所有车辆。
该领域较新的发展包括纳米复合材料：它们不是用纤维，而是用其他物质的微小颗粒来增强塑料，其中包括 石墨烯。这类材料潜在用途众多， 从 安装在风力涡轮机叶片上的轻质传感器，到性能更强的电池，再到加快骨折愈合的体内支架，不一而足。
如果我们能通过加工方法成功制备纳米复合材料，并以高度可控的方式对其进行设计，它们将尤其令人振奋。观察木材等自然界材料的结构，就会发现其复杂精巧得惊人。相比之下，我们现有的复合材料和纳米复合材料显得非常粗糙。
3. 自修复聚合物
无论我们在工程应用中多么谨慎地根据材料抵御机械应力和环境条件的能力来挑选材料，它们终究难免失效。老化、降解以及冲击或疲劳造成的机械完整性丧失，都是促成因素。这不仅代价高昂，还可能酿成灾难，例如2010年墨西哥湾的 深水地平线爆炸事故 。
受生物系统启发，人们正在 研发 能够对传统上被认为不可逆的损伤作出响应并自行修复的新材料。聚合物并非唯一具有自修复潜力的材料，但它们似乎特别适合这一用途。自本世纪初 首次发现 这类材料以来的短短几年间，人们已提出许多创新的修复系统。
一项仍极具挑战性的任务，是将这些概念推广到大规模应用，因为自修复聚合物的设计远比前几代聚合物复杂得多。但这似乎是实现长寿命、容错型材料的终极途径，可用于涂层、电子产品和交通工具等产品。
4. 塑料电子器件
大多数聚合物都是绝缘体，因此不导电。然而，2000年艾伦·麦克迪尔米德、艾伦·黑格和白川英树因 发现 一种名为聚乙炔的聚合物经过掺杂这一工艺 引入 杂质后会变得导电而获颁诺贝尔奖，此后聚合物研究这一领域迅速发展。
这一工艺不仅能使其他类似聚合物导电，其中一些甚至可以转化为发光二极管（LED），由此带来了制造柔性电脑屏幕的可能性，如下图所示。
聚合物在这一领域仍面临巨大挑战，也要与硅和有机LED等成熟技术展开激烈竞争。不过，在寻找现有电子设备的廉价柔性替代品时，聚合物大有可为，因为它们易于在溶液中加工，也可以进行3D打印。
这一领域似乎正在开展大量研究；聚合物有时充当半导体等材料中的活性成分，有时则作为其他物质的载体，例如 导电油墨。
5. 智能与响应型聚合物
凝胶和合成橡胶能够轻松改变形状以响应外部刺激，这意味着它们能够对周围环境的变化作出反应。外部刺激通常是温度或酸碱度的变化，但也可以是光、超声波或化学制剂。事实证明，这在设计用于传感器、药物递送装置及许多其他用途的智能材料时极为有用。
只要在设计时有意为之，就能大幅增强聚合物对这类刺激作出响应的天然能力。例如，机械响应基团是能够在受到机械力时改变聚合物性能的分子单元。它们可能有许多工业用途，尤其是在同时融入自修复技术的情况下。
智能聚合物的其他可能用途还包括：在窗户脏污时能自行清洗窗户的涂层，以及在伤口愈合后会自行消失的医疗缝线。
本文与 The Conversation合作发布。本文发布并不表示世界经济论坛认同其中观点。
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作者：瓦莱丽娅·阿里吉（VA），赫瑞-瓦特大学副教授，爱丁堡校区材料化学代理系主任。
图片：一名科学家用一片塑料覆盖自己的手。路透社。
