聚醯亞胺：哈勃望遠鏡的守護者之一

引言

哈勃望遠鏡即將迎來自己的的30歲生日，這三十年間，無數工程師和科學家絞盡腦汁讓它正常運行。

文明時代，望遠鏡也不能裸奔，它們穿在身上的東西既要防止宇宙射線，又要控好溫度，人靠衣服，哈勃靠啥？

聚醯亞胺（polyimide，後文稱PI）就是哈勃身上穿的衣服之一[1]。

聚醯亞胺

和人身上穿的各種化纖、羊毛衫類似，PI也是一類高分子材料。因為它具有以下五個優異的性質，所以能廣泛被應用於航空航天領域：

• 輕質

能飛上天的材料基本都有一個要求，那就是輕，輕意味著燃料的節省。

高分子的突出特點就是輕，相比金屬和陶瓷經常由各種重元素組成，高分子材料裡大部分都是碳、氫和氧三種元素。比如我們的主人公PI，從化學式就可以看出，除了碳氫氧就是氮。

幾種PI的分子式，請注意這些這些環狀結構，後文會再次提到

• 優良的力學性能

PI具有高分子材料特有的鏈結構。相比金屬和陶瓷以原子為基本組成單位，PI的基本組成單位是一根根鏈。

這些鏈像一團繩子，繩子上沾著膠水，這些繩子相互纏結並靠著上面的膠水組成一整塊高分子材料，比如我們熟知的汽車輪胎，一次性飯盒等。

生活經驗告訴我們，一根繩子是可以左扭右扭的，甚至可以打個結，PI裡的高分子鏈自然也有這個特點。

這就使得它改變自身形狀的能力很強，宏觀的體現是PI薄膜可以輕鬆彎折，扭曲成各種形狀，而這是普通金屬和陶瓷不具備的。

另外，也由於PI自身熔點不高（400°C左右），所以加工比較簡單，可以輕鬆壓製成各種膜，也可以用紡絲的手段製成纖維，這樣的話給宇航器穿衣服時可以很輕鬆地按照需求「裁剪」。

PI紡絲工藝

雖然說PI熔點低，但是，那得和金屬陶瓷這些動不動一千多度才熔融的材料來比較，相比大部分高分子材料，PI的熔點絕對是名列前茅[2]。

• 耐高溫

PI的分子鏈基本結構單元：

相比我們用的塑料聚乙烯和多糖纖維素，可以看出，PI的基本單元有很多環結構，而且主鏈上有除了碳以外的元素。所以它們是芳雜環高分子化合物。

環的結構賦予了這類化合物很高的穩定性。這裡還是用比喻感性地解釋[3]，剛才PI像一堆繩子，實際上應該說像一節一節的棍子連起來，棍子是化學鍵，節點是原子，膠水是分子間作用不變。

可以從上圖大概看出，相比線性的結構，環的球棍結構使得環上的原子喪失部分自由度，不易產生扭轉，結構更穩定，整個分子鏈不容易在高溫下被破壞。

另外，相比多糖那種比較純的碳環，芳雜環高分子上的「膠水」更結實（類似下圖中的那種），所以分子間也粘得比較牢靠，在高溫下不容易軟化。因此，PI的分子內和分子間作用都很強，很穩定，抵抗地住高溫。

環化合物的分子間作用力，圖裡的應該是π-π堆疊，正是因為雜原子有剩餘p軌道，可以堆疊

必須要注意的是，哈勃望遠鏡如果被太陽直射的話溫度自然很高，需要耐高溫材料。但是，如果恰好沒被太陽曬到，其外部的衣服就要忍受接近-200°C左右的低溫了。

• 耐低溫

由於PI在室溫下已經屬於塑性體，說白了就是張塑料片。塑料片到了低溫那不還是塑料片嘛，變化不大。與之形成對比的是，橡膠雖然常溫很韌很彈，但是降溫到零下幾十度左右就會呈現脆性。

如果哈勃上有橡膠，那一定在其內部受著PI的保護，因為橡膠沒被設計好承受如此殘酷的考驗。

所以，在某種程度上說，PI能在低溫下工作是因為它在很高的溫度時就已經放棄抵抗了。

它放棄了自己在常溫下的彈性，選擇了穩定性，換來的雖然是高低溫都憨憨地像個塑料片，但是可貴就可貴在它一直是塑料片，無論高溫還是低溫都讓人放心。

除了工作溫度範圍寬，PI還有個性質不可或缺，就是抗輻射。

• 抗輻射

這裡說的抗輻射是指反射宇宙射線。我們看PI的顏色：

PI膠帶

如果只考慮吸光，一種材料的顏色就是它反射的顏色，換句話說，就是這種材料無法吸收的顏色。肉眼可以判斷，PI一定對黃光紅光反射很強。

這裡可能就有人問了：PI做成薄膜那麼薄，反射了紅外光，紫外光能吸乾淨呢？

實際上在真正應用PI的時候，會採用複合材料的思路，聚醯亞胺負責反射紅外光，底下的金屬絲等負責處理紫外光和可見光。核心思路就是讓你太陽的輻射進不來，保護內部電子和光學器件。

可以說，沒了PI，別說測的準不準，哈勃可能早就「出軌」了。

哈勃望遠鏡和PI

這一大片一大片黃色的皺皺巴巴的「金箔」就是PI複合材料的外觀。

雖然說這材料看起來挺厲害，但是在實際應用中還是有些問題的，比如NASA就曾經上天修復過從哈勃上剝落下來的隔離層，可能是由於宇宙的環境比較殘酷，高分子材料這種溫室裡的花朵還是吃不開。

詹姆斯韋伯望遠鏡

雖然高分子材料的壽命不太長，但是預計明年上天的哈勃望遠鏡的繼任者——詹姆斯韋伯望遠鏡依舊大量使用這類材料。

據現在能查到的信息，韋伯望遠鏡上的PI是杜邦公司的Kapton系列產品。NASA等機構在使用時往Kapton上面鍍了一層金屬和矽，這倆處理紫外線，PI處理紅外波段的。

銀色的皺皺巴巴的那些是PI複合材料

遲暮

隨著哈勃在今年4.24的三十歲生日，它可能也無法陪伴人類多久，不過我們不必為此傷感，至少年輕的繼任者韋伯已經躍躍欲試。

如果哈勃真的在未來某天體力不支，從軌道上一步步滑向墳墓，陪伴他幾十年的聚醯亞胺會奮力和大氣層摩擦，誓死守護住下面的隔熱瓦和內部的光電器件，這是身為守護者的PI能為哈勃做的最後一件事，正如三十年來一直做的那樣。

如果PI燃燒生成的火光能有幸被人類聽到，那麼我想這些跳躍的火可能會說：人生不相見，動如參與商。謝謝你哈勃，讓我看到這麼美的東西。

Tapestry of Blazing Starbirth，Hubble官網排名第一的照片

假裝是參考文獻的補充說明

[1] 請注意，本文只討論最簡單的聚醯亞胺材料，實際上航空航天中用的材料成分和結構會比本文描述的複雜，比如會採用交聯、支化、引入雜原子和共混等方式，作者無力獲知哈勃上聚醯亞胺的配方。

[2] 除了部分結晶程度極高的材料，PI屬於的高分子材料基本都沒有明顯的熔點，經常會認為它們的熔點是一個範圍，而非特定值，所以這裡說得可能有些不準。

另外，這裡未加區別高分子的玻璃化溫度以及熔點，實際應用中更會考量玻璃化溫度，因為那個溫度下高分子材料就開始軟化了，開始脫離使用溫度，而這個溫度往往比熔點小很多。具體可查任何一本《高分子物理》教材。

[3] 對於理性的解釋，讀者可以從「離域大π鍵」以及「鍵能」的角度查找相關資料，主要是《有機化學》和《結構化學》。

扼要地講就是電子在整個分子中分布地更均勻，電子離域了，整個體系能量降低，激發態和基態能極差更大，需要更大的能量輸入才能激發芳雜環化合物，這點可以從量子化學從頭算驗證，點個關注，我更新相關內容後會推送的。