塑料、橡胶、合成纤维等形形色色的高分子材料在我们的生活中发挥着越来越重要的作用，这已是不争的事实。那么究竟什么是高分子材料呢？相信稍有化学知识的朋友都不难回答：高分子材料就是以高分子化合物为基础所构成的材料，而高分子化合物（简称高分子）一般指相对分子质量高达几千到几百万的化合物。
不过接下来这个问题恐怕就没那么容易回答了：怎么证明高分子化合物的分子真的有那么大呢？
有的朋友可能会说：“我确实不知道怎么回答，但化学家们应该知道答案吧。”这个问题对于现在的化学家来说当然是小菜一碟，但如果时光倒流到一百多年前，当时的化学家面对这个问题，多半会回答道：“不用证明，这么大的分子根本就不存在。”
是因为那时的人们没见过高分子化合物吗？当然不是。我们的祖先很早就学会将纤维素、蛋白质等天然存在的高分子作为材料使用，木材、纸张、棉纱、蚕丝等就是很好的例证。
到了19世纪末20世纪初，随着现代科学特别是化学的发展，人们不仅学会对天然存在的高分子材料进行改造使之性能更加优越，而且还开始尝试完全人工合成高分子材料。19世纪下半叶，第一种塑料—由纤维素改性而来的赛璐珞走进人们的视野。年，第一种完全人工合成的塑料—酚醛树脂问世。毫不夸张地说，当时材料科学的一场新的变革已是呼之欲出。但就在这个关键的时刻，大多数化学家仍然固执地认为，在这个世界上根本不可能存在如此庞大的分子。
然而像纤维素、天然橡胶这样的高分子材料毕竟真真切切地摆在眼前，并且呈现出与小分子化合物截然不同的性质，如更高的机械强度，这又该如何解释呢？当时的化学家认为，这归功于分子间作用力。分子间作用力，顾名思义，就是分子之间的相互作用力，它包括了广泛存在于任意两个分子之间的范德瓦耳斯力，即由于分子极化产生的分子间静电作用，以及存在于特定分子之间的特殊相互作用，如氢键。分子间作用力的强度远远弱于分子内部将原子连接起来的共价键，但它仍然具有相当重要的意义。如果没有分子间作用力提供的相互吸引，大部分物质都只能以气体形式存在，我们眼前的图景将变得截然不同。
不幸的是，正是这种重要的相互作用让科学家们在很长时间里“误入歧途”，认为所谓的高分子化合物，不过是小分子通过分子间作用力形成的聚集体罢了，一个典型的例子是关于天然橡胶结构的推断。
一、天然橡胶的结构究竟是什么样的
每当我们遇到一种未知的化学物质，鉴定它的结构总是第一要务。现在，这一任务可以通过质谱、色谱、核磁共振等仪器设备来完成，但在一百多年前，这些先进的分析手段还没有诞生，化学家们不得不依赖于更为原始和间接的方法，其中一种常用的手段就是让未知物质和已知的化合物发生化学反应，然后从反应产物来推断未知物的结构。例如，德国化学家卡尔·哈里斯（CarlHarries）就经常用臭氧与其他化合物反应，以此来推断未知的有机物中是否存在碳碳双键这种结构。
为什么通过这样一个反应就可以推断未知物的结构呢？我们不妨打个比方：假设有一根铁链，你想看看这根铁链究竟有多长，上面的每个铁环都是什么颜色。我说，对不起，现在不能直接给你看，但可以先用我的剪刀剪一下再给你看，而我的剪刀有个特点，那就是只能把红色的铁环一分为二。结果剪过之后，我们得到了两条断链，其中一边是两个绿色环和半个红色环依次相连，而另外一边是三个蓝色环和半个红色环相连，那么你就可以推断出：这个铁链原本由六个铁环组成，它们的颜色依次是“绿-绿-红-蓝-蓝-蓝”。在哈里斯的实验中，臭氧就相当于这把剪刀，而碳碳双键这种结构就是被它剪断的红色铁环。
现在我们用这把剪刀去剪另一根铁链，结果发现，得到的断链只有一种：两个彼此相连的蓝色环前后两端分别连着半个红色环。为什么会出现这种结果呢？一种可能是这根铁链不仅非常长，而且在它的链条上反复出现“红-蓝-蓝”的组合，当我们用剪刀去剪它时，所有的红色环都会被剪断，自然形成了刚才说的这种断链。哈里斯用臭氧处理天然橡胶时，就遇到了这种情况—得到的产物只有一种，名为乙酰丙醛，它的结构表明这个分子的两端都应该被臭氧“剪”过。根据这个结构，我们不难推断，天然橡胶是含有大量碳碳双键结构的天然高分子化合物。
然而哈里斯并不相信高分子化合物真的存在，因此他想到了另外一种可能：原先的这根铁链实际上是六个铁环按照“红-蓝-蓝-红-蓝-蓝”的顺序首尾相连，形成一个圈。由于这个圈的结构左右对称，当我们用剪刀剪断红色环时，自然只会看到一种断链。据此，哈里斯认为天然橡胶是由无数含有碳碳双键的环状分子—二甲基环辛二烯形成的聚集体。可是怎么解释天然橡胶有很强的机械性能呢？哈里斯认为，这是由于碳碳双键的存在导致二甲基环辛二烯的分子间作用力较一般分子更强。
哈里斯发表了他的研究结果后，真的有人试图通过合成二甲基环辛二烯来生产天然橡胶，结果自然是以失败而告终。如果一直用这样的错误结构去指导生产实践，那真可谓以其昏昏使人昭昭，不知道要走多少弯路呢。幸运的是，一些研究人员开始意识到，当时人们对于高分子化合物的认识或许是不正确的。德国化学家赫尔曼·施陶丁格（HermannStaudinger）正是其中的一员。
二、有机化学界的“叛逆”
施陶丁格年3月23日出生于莱茵河畔的德国城市沃尔姆斯（Worms）。年轻时的施陶丁格非常喜欢植物，因此在高中毕业后进入德国哈雷大学就读时，他最初选择的专业为植物学。但他的父亲建议他选修一些化学课程，这样可以加深对植物的理解。这一建议改变了施陶丁格的人生轨迹，他很快对化学特别是当时正蓬勃发展的有机化学产生了浓厚的兴趣。年，年仅22岁的施陶丁格获得哈雷大学博士学位。同年，他前往斯特拉斯堡大学担任实验助理，正式开始了自己的科研生涯。
初出茅庐的施陶丁格很快在有机化学领域崭露头角，做出了许多重要的发现，年，施陶丁格获得了“特许任教资格”，同年任卡尔斯鲁厄理工大学的有机化学助理教授。年，年仅31岁的施陶丁格又被苏黎世联邦理工学院聘为教授。在这两所大学，施陶丁格继续从事有机化学方面的研究，并取得了丰硕的成果。例如，他带领的研究小组成功地从除虫菊中分离出具有杀虫作用的活性成分，并对其结构进行了初步的鉴定，从而为除虫菊酯这一天然杀虫剂的应用奠定了基础。在第一次世界大战期间，为了应对农作物原材料的短缺，施陶丁格带领研究人员成功合成出具有胡椒和咖啡香味的化合物。
进入20世纪20年代，不到40岁的施陶丁格已经是有机化学界一颗耀眼的明星，真可谓前途无量。然而正是在这一时期，他做出了令许多同行感到困惑不解的决定：将研究重心转向高分子化合物。
在年，他发表了题为《关于聚合反应》的论文。在这篇具有里程碑意义的文章中，他明确指出多种有机化学反应可以将小分子通过共价键连接起来，得到分子量很高的化合物。不久，他又提出了高分子或者大分子（macromolecules）的概念，用以描述这一类化合物。
年，他应邀前往德国弗莱堡大学担任化学实验室的负责人。在弗莱堡大学，他进一步将大量精力投入高分子化合物的研究。
施陶丁格的一系列新主张在化学界引起了轩然大波，许多化学家激烈地反对他提出的大分子的概念。施陶丁格后来回忆，德国著名化学家、年诺贝尔化学奖得主海因里希·奥托·威兰（HeinrichOttoWieland）曾经劝告他说：“亲爱的同事，放弃你的大分子的想法吧，分子量超过的有机化合物是不存在的。把你的诸如天然橡胶之类的产物提纯，它们就会结晶，从而表明自己是小分子化合物。”
施陶丁格非常清楚，自己的主张之所以不被化学界认可，一个重要的原因是缺乏有说服力的实验证据。也就是说，他必须能够回答文章开头提出的问题：怎么证明高分子的分子真的有那么大？
三、寻找最关键的证据
为了寻找问题的答案，施陶丁格设计了一系列精巧的实验，其中有代表性的是关于天然橡胶的研究。在前面我们提到，哈里斯等研究者认为，天然橡胶是无数二甲基环辛二烯分子凭借碳碳双键之间的相互作用形成的聚集体。
另一个经常用于描述高分子化合物的名词polymer（中文通常译为“聚合物”）则早在19世纪就被瑞典化学家永斯·贝尔塞柳斯(JnsJacobBerzelius)提出，但当时polymer的含义与现在完全不同，指的是所含元素比例相同，但分子量不同的一系列化合物。例如，按照最初的定义，葡萄糖（分子式C6H12O6）可以视为甲醛（分子式CH2O）的“聚合物”，但甲醛并不能聚合得到葡萄糖。
另一份令人信服的证据来自X射线晶体学的研究。在20世纪初期，马克斯·冯·劳厄（MaxVonLaue）、威廉·亨利·布拉格（SirWilliamHenryBragg）及其子威廉·劳伦斯·布拉格（WilliamLawrenceBragg）等物理学家通过大量的研究表明，X射线在穿过晶体时会呈现出规则的衍射图案，通过分析衍射图案可以推断出晶体的结构。由此，X射线衍射成为分析物质结构的重要手段。
然而颇具讽刺意味的是，X射线晶体学诞生后，一度被当成证明高分子化合物不可能存在的重要证据。众所周知，晶体是原子、离子或者分子按照一定的规律在空间中周期性排列得到的结构，其最基本的几何单元被称为晶胞。例如，在氯化铯的晶胞中，铯离子占据立方体的中心，而氯离子则占据立方体的顶点。这样的结构不断重复，就形成了氯化铯的晶体。通过X射线晶体学所提供的信息，我们可以计算出晶胞的形状和尺寸。
当时很多科学家认为，如果像纤维素、天然橡胶这样的材料真的是高分子化合物，那么当它们结晶时，整个分子都必须要被压缩到狭小的晶胞内，这就像是让个人挤进一辆只能坐10个人的汽车，怎么可能呢？因此，大分子化合物必定是不存在的。然而当新的实验证据不断浮出水面后，人们才意识到这种想法是多么荒谬。在这一过程中起了关键作用的是化学家赫尔曼·弗朗西斯·马克（HermanFrancisMark）。
马克年出生于维也纳。他的父亲是一名医生，经常邀请著名的学者来家中吃晚餐。家庭环境的熏陶使得马克自幼就对自然科学产生了浓厚的兴趣。由于当时的奥地利有一年的义务兵役的要求，年高中毕业后，马克决定先服兵役，之后再完成大学学业。没想到一年后第一次世界大战爆发，马克不得不暂时收起自己的大学梦，走上了前线。
在战场上，马克作战勇敢，多次立功。在战争即将结束时，马克不幸被俘，在战俘营中他自学了多门课程。年8月他终于重获自由，进入维也纳大学学习化学。为了弥补逝去的光阴，马克发奋苦读，两年后就获得了博士学位。博士毕业后，马克先是在柏林大学任教，年加盟德国威廉皇帝科学研究所下属的纤维研究所，年又应邀前往德国著名化工和制药企业法本公司工作。
早在任职威廉皇帝科学研究所期间，马克就接触到了新兴的X射线晶体学技术，并很快熟练掌握了这一技术，用它来分析不同物质的结构。当时匈牙利学者迈克尔·波拉尼（MichaelPolanyi）已经获得了纤维素等天然高分子化合物的X射线晶体衍射图，证明了晶体的存在，但未能给出正确的结构。马克经过大量的分析，终于证明在纤维素中，组成晶胞的并非整个分子，而是分子中若干重复的结构单元，这使得晶胞尺寸限制导致大分子不存在的说法不攻自破。除了测定高分子化合物的晶体结构，马克还在施陶丁格研究的基础上进一步阐述了高分子化合物的分子量与其溶液黏度的关系。
有趣的是，马克虽然支持施陶丁格的高分子学说，二人却在对高分子化合物结构的认识上产生了明显分歧，并为此争论不休。施陶丁格认为高分子化合物的分子应该是一根根颇具刚性的“棍子”，而马克则认为这些分子更像柔软的线条。那么究竟谁的观点正确呢？
（Tobecontinued）