發生在32攝氏度的神奇轉變，能為我們帶來什麼？

（一）

如果讓大家回憶一下剛開始學習化學時做過哪些實驗，配製溶液應該是其中之一。設想你被要求配製化學實驗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20oC時100克水中能夠溶解109克氫氧化鈉，而溫度升高到60oC時，這個數字就增加到了174克[2]。

聚（N-異丙基丙烯醯胺）的化學結構

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-異丙基丙烯醯胺）（英文縮寫為PNIPAm）的物質雖然也能溶於水，但升高溫度不僅無助於溶解更多的它，相反，如果把溶有聚（N-異丙基丙烯醯胺）的水加熱，原本澄清的水會變得渾濁，這說明溫度越高，聚（N-異丙基丙烯醯胺）反而越難溶在水裡[3]。

原本澄清的聚（N-異丙基丙烯醯胺）水溶液在溫度升高後會變渾濁，溫度降低後又會重新變澄清，顯示聚（N-異丙基丙烯醯胺）在水中的溶解度隨溫度升高而降低。根據來自參考資料[4]的視頻製圖

為什麼會出現這種奇怪的現象呢？這是因為聚（N-異丙基丙烯醯胺）的分子中含有氮原子和氧原子的的那一部分，也即所謂的醯胺結構，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-異丙基丙烯醯胺）溶在水中。然而聚（N-異丙基丙烯醯胺）分子中不喜歡水的也不在少數，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。當溫度比較低時，氫鍵的力量要明顯更強，因此要求聚（N-異丙基丙烯醯胺）溶於水的「聲音」佔據了主導地位。然而隨著溫度的升高，要求聚（N-異丙基丙烯醯胺）不溶於水的呼聲越來越強。終於，到了某個溫度，形勢徹底逆轉，原本溶於水的聚（N-異丙基丙烯醯胺）與水徹底分離，聚集並塌縮成較為密實的微小顆粒。這些微粒讓原本透過溶液的光變得發散，於是透明的溶液就變得渾濁起來呢[5]。

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

那麼聚（N-異丙基丙烯醯胺）的這種現象為何備受關注？關鍵在於它從溶於水到不溶於水的轉變發生的溫度，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度又有什麼特殊的呢？那麼我要友情提示一下：這個轉變溫度相當接近於人的正常體溫了。

如果你還沒有意識到接近體溫意味著什麼也沒有關係，讓我們先來認識一種名叫水凝膠的材料。

從水凝膠談起

聚（N-異丙基丙烯醯胺）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-異丙基丙烯醯胺），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。

有一種叫做交聯的化學反應，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路，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，橡膠就是典型的經過交聯的聚合物。如果我們把聚（N-異丙基丙烯醯胺）等水溶性聚合物交聯起來，再投入水中，由於原本獨立的聚合物分子已經被互相連接到了一起，它們顯然已經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，而經過交聯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儘可能保持親密接觸，那麼怎麼辦呢？聰明的水分子說，既然你來我家不方便，那麼我改到你的府上拜訪吧。水溶性聚合物說，這確實是個不錯的想法，不過請先容許我為你騰點地方。本來乾燥狀態下水溶性聚合物的分子鏈條是緊密蜷縮在一起的，遇到水之後，它們會變得舒展，而水分子則乘機進入分子鏈條之間的空隙。於是我們會看到投入水中的經過交聯的水溶性聚合物不僅不會逐漸消失，反而會愈發膨脹，而與此同時，水倒是越來越少。當水徹底消失後，我們得到一塊柔軟的固體，這就是水凝膠[7]。我們經常見到的果凍，就是水凝膠的一種。

人們雖然很早就認識了水凝膠，但它最初只是出現在餐桌上。直到上世紀中葉，一位名叫奧托·威特勒（Otto Wichterle）的捷克化學家突然意識到：哎呀，這麼好的東西，只是作為人們的飯後零食實在是太屈才了。

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

水凝膠有什麼用？

威特勒當時正致力於隱形眼鏡鏡片材料的開發。隱形眼鏡的概念雖然從達芬奇那個時代就有了，但由於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想。直到進入20世紀，隨著合成塑料工業的飛速發展，人們才找到了有機玻璃這樣輕質耐用又高度透明的鏡片材料。然而作為鏡片材料，有機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，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，而類似有機玻璃這樣的合成塑料偏偏透氣性極差，因此用這樣的材料製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挑戰之後，威特勒成功制出了以水凝膠為材質的隱形眼鏡。經過不斷的改進，這種隱形眼鏡逐漸發展成如今佔據市場支配地位的軟性隱形眼鏡。

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

參考文獻和注釋：

[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於某一溫度時才能互溶。與之相對應的是高臨界共溶溫度(upper critical solution temperature, UCST) ，即溫度高於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] 除了化學反應，一些物理作用也可以使得水溶性聚合物形成三維網路，從而在遇到水時形成水凝膠

作者：魏昕宇

來源：科學公園