历史编译稿:本文保留原稿的科学人物叙事。英文资料来源为Famous Scientists;具名作者及译者未能从导出稿中核实,原发表日期待核实。
1933年,德国弗莱堡大学,意大利化学家居里奥·纳塔(Giulio Natta)遇见了高分子化学奠基人—德国化学家赫尔曼·施陶丁格(Hermann Staudinger)。
尽管当时的化学家们大多都不认同“高分子”的存在,居里奥·纳塔却对此产生了浓厚的兴趣。他决定使用X射线和电子衍射法来研究“高分子”的原子结构。
1952年,德国化学家卡尔·齐格勒(Karl Ziegler)关于催化剂的研究为居里奥·纳塔提供了新的思路,他使用改良后的催化剂生产出了高聚合度、高规整度的聚丙烯。
这项研究奠定了定向聚合的理论基础,大大降低了高分子材料的生产成本,优化了生产工艺流程,为现代化学工业做出了杰出贡献。
因为在“高分子化学和技术领域的发现”,居里奥·纳塔和卡尔·齐格勒共同获得了1963年的诺贝尔化学奖!

童年梦想的追逐之旅
居里奥·纳塔于1903年2月26日出生在意大利北部一座靠近法国边境的沿海城市因佩里亚。
他的父亲是Francesco Maria,一名地方法官。他的母亲是Elena Crespi,负责儿子的家庭教育—居里奥三岁时就能阅读书籍。
居里奥还是个婴儿时,因为父亲的工作调动,他们全家搬到了意大利热那亚市。
小时候的居里奥·纳塔就梦想成为一名科学家。1919年,16岁的他从克里斯托弗-哥伦布中学顺利毕业。
1921年,18岁的居里奥·纳塔从热那亚大学的两年制数学预科班毕业。
毕业后的居里奥·纳塔前往米兰,在米兰理工学院攻读化学工程博士课程。1924年,21岁的纳塔顺利毕业并获得博士学位。米兰理工学院化学研究所所长朱塞佩·布鲁尼(Giuseppe Bruni)教授对他印象深刻,并任命纳塔为研究助理。

在布鲁尼教授的研究小组,纳塔深入学习了X射线晶体学—由劳伦斯·布喇格(Lawrence Bragg)和他的父亲在1912年开创的学科。X射线晶体学利用X射线的衍射“看到”晶体中原子密度的分布情况,从而分析获得原子的位置结构信息。
1925年,22岁的纳塔开始在米兰理工学院教授分析化学课程。
1929年,纳塔开始兼任米兰大学物理化学课程教授。
1933年,30岁的纳塔被任命为帕维亚大学的化学教授。
1935年,纳塔被任命为罗马大学的物理化学教授。
1937年,纳塔被任命为都灵理工学院的工业化学主任教授。
1938年,纳塔被任命为米兰理工学院的工业化学主任教授,直至1973年退休。这是一个有争议的任命:上一位主任教授马里奥·贾科莫·列维(Mario Giacomo Levi)是犹太人,因为违反了意大利法西斯独裁者贝尼托·墨索里尼(Benito Mussolini)颁布的《反犹太法》而被解雇。

改变人生的两次相遇
1933年,纳塔前往德国弗莱堡,与塞曼教授(H. Seeman)讨论X射线电子衍射技术。在那里,他遇到了赫尔曼·施陶丁格(Hermann Staudinger,聚合物和高分子化学创始人,1953年诺贝尔化学奖得主)。
纳塔对“大分子”非常感兴趣。尽管当时的许多科学家拒绝相信大分子的存在,但他仍决定使用X射线和电子衍射法研究大分子的原子结构。

纳塔曾担任过意大利化学公司“Montecatini”的技术顾问。因此,在1952年,他非常巧合地了解到了德国化学家卡尔·齐格勒(Karl Ziegler)的一项重要发现。齐格勒发现:他可以使用由TiCl4和Al(C2H5)2Cl组成的混合催化剂在低压下生产高分子量的聚乙烯。
齐格勒将该项专利授权给了Montecatini公司使用,因此,纳塔获得了深入了解齐格勒的研究的机会。
齐格勒和纳塔成为了好朋友,但后来他们因为在专利方面的分歧而闹翻了:在一次会面时,纳塔没有告诉齐格勒他已经成功地制造出了聚丙烯,而是隐瞒齐格勒说他还没有取得成功。纳塔没有透露任何信息,是因为他想为该项工艺申请专利,他担心一旦消息泄露,可能会阻碍这项无懈可击的专利的申请工作。
纳塔开始了自己的实验,并使用由α-TiCl3与Al(C2H5)3组成的催化剂生产出了世界上第一个等规聚丙烯。

催化剂与聚合物的突破研究
聚合物链的空间排列(立体异构)决定了聚合物的物理特性。高结晶度的聚合物多被制成坚硬的塑料,而低结晶度的聚合物则多被制成更柔软的材料。
当纳塔与自己的妻子Rosita(一位语言专家)探讨他的工作时,Rosita用希腊词根创造了以下这些用来描述聚合物链立体异构的词汇:
等规聚合物(Isotactic):这是一种立构规整的聚合物,所有取代基R都位于聚合物链的同一侧。

间规聚合物(Syndiotactic):这也是一种立构规整的聚合物,取代基R在聚合物链上有规律地交替分布。

无规聚合物(Atactic):这不是一种立构规整的聚合物,取代基R是沿聚合物链随机分布的。

1954年3月,纳塔确定了等规聚丙烯中的聚合物链是以单螺旋结构排列的。螺旋结构正在成为所有大分子的一个共同特征:1951年,莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)及其同事确定了蛋白质的α-螺旋结构;1953年,弗朗西斯·克里克(Francis Crick)、罗莎琳·富兰克林(Rosalind Franklin)、詹姆斯·沃森(James Watson)和莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins)的工作确定了DNA的双螺旋结构。
由齐格勒和纳塔共同发明的聚合物催化体系被称为齐格勒-纳塔催化剂。
在生产出等规聚丙烯后,纳塔带领着囊括100多名研究人员的团队,开展了一项有三个目标的计划:
·生产新的塑料。
·生产新的纤维。
·生产新的橡胶。

纳塔和他的团队使用1-丁烯、丁二烯、苯乙烯和4-甲基-1-戊烯等基础材料制备得到了一系列新的立构规整的聚合物。除此之外,他们还能够确定这些聚合物的晶粒尺寸,以及聚合物链的结构和空间排列。
1963年,纳塔和齐格勒因为在“高分子化学和技术领域的发现”共同分享了该年度的诺贝尔化学奖。
1969年,纳塔因为在“聚合物化学领域的杰出成就”而被授予罗蒙诺索夫金奖,这是苏联科学院的最高奖项。
1979年5月2日,居里奥·纳塔在意大利的贝加莫逝世,享年76岁。

上世纪50年代,齐格勒-纳塔催化剂的诞生,为聚烯烃工业的跨越式发展提供了强大的助推力。
在庞大的聚烯烃工业的推动下,人造纤维、人造树脂和塑料制品得以大量生产,最终走进千家万户,并逐渐成为我们日常生活必不可少的一部分。
数十年后的今天,为了应对由聚乙烯、聚丙烯等高分子材料的广泛使用带来的日益严重的环境污染问题,生物可降解合成高分子材料技术的出现为我们带来了新的转机!
科技的发展正在改变这个世界;而人类的智慧正指引着它向正确的方向前行!
原文链接:
https://www.famousscientists.org/giulio-natta/
资料来源:《Famous Scientists》
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编辑说明
编辑说明:正文及图7中的syndiotactic更正为“间规聚合物”,原译“共轭聚合物”不对应该术语。等规、间规、无规的原英文和图像来源仍保留于恢复记录。
补充参考资料
来源与编辑记录
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校订说明:编辑说明:正文及图7中的syndiotactic更正为“间规聚合物”,原译“共轭聚合物”不对应该术语。等规、间规、无规的原英文和图像来源仍保留于恢复记录。