高分子材料的種類繁多，用途廣泛，舉凡大家熟悉的藍白拖鞋、裝飲料的寶特瓶、手指輕敲的鍵盤以及具金屬質感的手機外殼，生活中處處可見高分子材料的蹤跡。高分子有的硬、有的軟；有的透明，可以製作鏡片；有的具有導電性，可以作為電子元件材料。各式各樣的用途，對於材料性質的要求，往往也天差地別。能夠根據各種用途的性質需求，精準地設計出合適的高分子材料，一直是從事材料開發人員追求的夢想。
單一種高分子材料的基本性質，主要由其化學結構式來決定，部份則取決於分子量大小或結晶度等因素，能夠調變材料特性的空間相當有限。近幾年在奈米科技的蓬勃發展下，許多材料的特性都有突破性的進展，主要都是透過組合不同材料在奈米尺度下的改質技術。以共聚高分子(Copolymer)為例，透過摻入微奈米等級的有機或無機材料顆粒，構成所謂的混成(Hybrid)或複合(Composite)材料，就有機會進一步調控材料的性質，這是目前極為常見的手法之一。為了增進微奈米顆粒與高分子基材之間的結合，往往會添加表面改質劑來改變顆粒的表面性質，這些改質劑多為小分子，一端必須能連結於顆粒表面，另一端則需與高分子基材之間有良好的親和力，此時改質劑的設計選用就相當重要了。
高分子性質的計算軟體
以上所提到的高分子性質計算軟體，並不僅止於一個夢想。工研院材料與化工研究所與俄羅斯的科學家進行了多年的技術交流與人員互訪研究後，建立一套高分子材料性質預測的計算軟體。使用者只需選取原子與適當的原子間鍵結，畫出心目中高分子的基本單元，如圖一所示，按下計算執行按鍵，數秒後就會跳出一個視窗，裡頭有幾十個常用的高分子性質參數，提供研究人員在找尋高分子性質資料時，一個快速簡單的材料物性篩選與評估方法。
圖一、高分子性質預測軟體之操作面版，分為文字視窗，顯示功能項與操作快捷項，以及圖形視窗，可直接於其內繪製分子結構
高分子性質預測之輸入與輸出關係，如圖二所示，簡單輸入高分子單體結構或分子式結構，即可獲得輸出結果，包含高分子主要性質分析、外加特性分析、溶解度分析及共聚合高分子特性分析等。在熱力學性質方面，包括玻璃轉移溫度、熔點、黏性流體轉移溫度及劣化啟始等；這些都是高分子加工製程中所需重要的材料參數。在光學性質方面，包括：折射率、雙折射率、應力光學係數；在電學性質方面，包括介電常數、介電損耗等。其他性質還包括：高分子相互溶解度、液態及固態高分子表面張力預測；高分子阻氣性質如O2、N2、CO2之滲透率等。在外加特性分析預測方面包括：
1.溫度依存性(Temperature Dependence)：材料的密度與折射率均會隨溫
度而變化，例如常見的塑膠光學材料。
3.微狀排列依存性(Microtacticity Dependence)：高分子取代基不同的微
狀排列，會有不同的玻璃轉移溫度，進而導致高分子材料硬度與機械
性質的差異，例如PMMA 就是典型的例子。
5.頻率依存性(Frequency Dependence)：一般的高分子介電材料，在高頻
下的介電耗損值大。
圖二、高分子性質預測軟體之輸入與輸出關係
高分子性質計算的應用
高分子性質計算軟體的應用廣泛，例如：功能性材料、光學材料、生醫材料、塗料、複合材料等。功能性高分子材料包括：積體電路用的光阻材料，海水淡化的分離膜材料，或是吸附劑、界面活性劑、安定劑等。本文所提及的高分子性質計算軟體可預測其滲透性、溶解度與互溶性等。
光學材料過去均為玻璃材質，現在漸由高分子材料所取代。例如塑膠光學透鏡，具質輕、耐衝擊性大、可製作複雜形狀、可大量生產及價格低廉等特性。其關鍵在於如何開發無色透明並具高光彈性常數的材料；此外，也要降低溫度對折射率、熱膨脹係數、雙折射性等材料參數的影響。這些性質都可經由計算來預測。生醫材料依其應用可分為醫療用品器具、人工臟器、高分子藥劑等三大類。以醫療用品器具為例，根據全球醫材產業調查，預估其產值到2010 年可達2 千億美元。醫用高分子材料多與人體直接或間接接觸，故材料的機械性質及耐久性，都是選用與設計時所需考慮的因素。塗料產業為一持續成長的工業，以亞洲市場為例， 2007 年已達970 萬噸，產值295 億美元，預估到2012 年可達1500 萬噸的產值。有些塗料具特殊的功能，例如：用於電子產品之阻氣透明塗料及抗反射高硬度塗料、建築之隔熱塗料與自清潔塗料、金屬防蝕防銹塗料等。增加相容性和界面附著力，是其成功的關鍵。其中重要的性質例如相互溶解度與表面張力，也可由此方法計算獲得。為增強高分子材料的機械性質，常混入無機的纖維或顆粒，構成複合材料。
未來發展方向
工研院與俄羅斯科學家已建立良好的合作關係，目前仍持續發展此一高分子材料的計算理論與軟體，包括：
1.提供高分子溶液的固化溫度，此一固化溫度會隨著溶劑的種類與濃度有
所變化，能提供薄膜塗佈製程中乾燥條件控制的依據。
3.提供更多種類的氣體或小分子在高分子材料中的滲透率，對於阻氣或阻
水膜材的設計，提供材料選取的指引。
5.提供氣體分子在高分子材料中的自由體積分率(Free Volume Fraction)，
對於材料的傳導率、阻氣或阻水性質、表面電荷儲存量等性質的估
計，提供量化的指標。期待未來能藉由功能的擴充，擴大性質預測
的範圍與應用的領域，來服務更多的客戶。
對「快速精準設計理想的高分子新材料」有興趣者，歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw
作者：黃天榮、邱佑宗、張志祥 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌268期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7659