引言
哈勃望远镜即将迎来自己的的30岁生日，这三十年间，无数工程师和科学家绞尽脑汁让它正常运行。
文明时代，望远镜也不能裸奔，它们穿在身上的东西既要防止宇宙射线，又要控好温度，人靠衣服，哈勃靠啥？
聚酰亚胺（polyimide，后文称PI）就是哈勃身上穿的衣服之一[1]。
聚酰亚胺
和人身上穿的各种化纤、羊毛衫类似，PI也是一类高分子材料。因为它具有以下五个优异的性质，所以能广泛被应用于航空航天领域：
- 轻质
能飞上天的材料基本都有一个要求，那就是轻，轻意味着燃料的节省。
高分子的突出特点就是轻，相比金属和陶瓷经常由各种重元素组成，高分子材料里大部分都是碳、氢和氧三种元素。比如我们的主人公PI，从化学式就可以看出，除了碳氢氧就是氮。
几种PI的分子式，请注意这些这些环状结构，后文会再次提到
- 优良的力学性能
PI具有高分子材料特有的链结构。相比金属和陶瓷以原子为基本组成单位，PI的基本组成单位是一根根链。
这些链像一团绳子，绳子上沾着胶水，这些绳子相互缠结并靠着上面的胶水组成一整块高分子材料，比如我们熟知的汽车轮胎，一次性饭盒等。
生活经验告诉我们，一根绳子是可以左扭右扭的，甚至可以打个结，PI里的高分子链自然也有这个特点。
这就使得它改变自身形状的能力很强，宏观的体现是PI薄膜可以轻松弯折，扭曲成各种形状，而这是普通金属和陶瓷不具备的。
另外，也由于PI自身熔点不高（400°C左右），所以加工比较简单，可以轻松压制成各种膜，也可以用纺丝的手段制成纤维，这样的话给宇航器穿衣服时可以很轻松地按照需求“裁剪”。
PI纺丝工艺
虽然说PI熔点低，但是，那得和金属陶瓷这些动不动一千多度才熔融的材料来比较，相比大部分高分子材料，PI的熔点绝对是名列前茅[2]。
- 耐高温
PI的分子链基本结构单元：
相比我们用的塑料聚乙烯和多糖纤维素，可以看出，PI的基本单元有很多环结构，而且主链上有除了碳以外的元素。所以它们是芳杂环高分子化合物。
环的结构赋予了这类化合物很高的稳定性。这里还是用比喻感性地解释[3]，刚才PI像一堆绳子，实际上应该说像一节一节的棍子连起来，棍子是化学键，节点是原子，胶水是分子间作用不变。
可以从上图大概看出，相比线性的结构，环的球棍结构使得环上的原子丧失部分自由度，不易产生扭转，结构更稳定，整个分子链不容易在高温下被破坏。
另外，相比多糖那种比较纯的碳环，芳杂环高分子上的“胶水”更结实（类似下图中的那种），所以分子间也粘得比较牢靠，在高温下不容易软化。因此，PI的分子内和分子间作用都很强，很稳定，抵抗地住高温。
环化合物的分子间作用力，图里的应该是π-π堆叠，正是因为杂原子有剩余p轨道，可以堆叠
必须要注意的是，哈勃望远镜如果被太阳直射的话温度自然很高，需要耐高温材料。但是，如果恰好没被太阳晒到，其外部的衣服就要忍受接近-200°C左右的低温了。
- 耐低温
由于PI在室温下已经属于塑性体，说白了就是张塑料片。塑料片到了低温那不还是塑料片嘛，变化不大。与之形成对比的是，橡胶虽然常温很韧很弹，但是降温到零下几十度左右就会呈现脆性。
如果哈勃上有橡胶，那一定在其内部受着PI的保护，因为橡胶没被设计好承受如此残酷的考验。
所以，在某种程度上说，PI能在低温下工作是因为它在很高的温度时就已经放弃抵抗了。
它放弃了自己在常温下的弹性，选择了稳定性，换来的虽然是高低温都憨憨地像个塑料片，但是可贵就可贵在它一直是塑料片，无论高温还是低温都让人放心。
除了工作温度范围宽，PI还有个性质不可或缺，就是抗辐射。
- 抗辐射
这里说的抗辐射是指反射宇宙射线。我们看PI的颜色：
PI胶带
如果只考虑吸光，一种材料的颜色就是它反射的颜色，换句话说，就是这种材料无法吸收的颜色。肉眼可以判断，PI一定对黄光红光反射很强。
这里可能就有人问了：PI做成薄膜那么薄，反射了红外光，紫外光能吸干净呢？
实际上在真正应用PI的时候，会采用复合材料的思路，聚酰亚胺负责反射红外光，底下的金属丝等负责处理紫外光和可见光。核心思路就是让你太阳的辐射进不来，保护内部电子和光学器件。
可以说，没了PI，别说测的准不准，哈勃可能早就“出轨”了。
哈勃望远镜和PI
这一大片一大片黄色的皱皱巴巴的“金箔”就是PI复合材料的外观。
虽然说这材料看起来挺厉害，但是在实际应用中还是有些问题的，比如NASA就曾经上天修复过从哈勃上剥落下来的隔离层，可能是由于宇宙的环境比较残酷，高分子材料这种温室里的花朵还是吃不开。
詹姆斯韦伯望远镜
虽然高分子材料的寿命不太长，但是预计明年上天的哈勃望远镜的继任者——詹姆斯韦伯望远镜依旧大量使用这类材料。
据现在能查到的信息，韦伯望远镜上的PI是杜邦公司的Kapton系列产品。NASA等机构在使用时往Kapton上面镀了一层金属和硅，这俩处理紫外线，PI处理红外波段的。
银色的皱皱巴巴的那些是PI复合材料
迟暮
随着哈勃在今年4.24的三十岁生日，它可能也无法陪伴人类多久，不过我们不必为此伤感，至少年轻的继任者韦伯已经跃跃欲试。
如果哈勃真的在未来某天体力不支，从轨道上一步步滑向坟墓，陪伴他几十年的聚酰亚胺会奋力和大气层摩擦，誓死守护住下面的隔热瓦和内部的光电器件，这是身为守护者的PI能为哈勃做的最后一件事，正如三十年来一直做的那样。
如果PI燃烧生成的火光能有幸被人类听到，那么我想这些跳跃的火可能会说：人生不相见，动如参与商。谢谢你哈勃，让我看到这么美的东西。
Tapestry of Blazing Starbirth，Hubble官网排名第一的照片
假装是参考文献的补充说明
[1] 请注意，本文只讨论最简单的聚酰亚胺材料，实际上航空航天中用的材料成分和结构会比本文描述的复杂，比如会采用交联、支化、引入杂原子和共混等方式，作者无力获知哈勃上聚酰亚胺的配方。
[2] 除了部分结晶程度极高的材料，PI属于的高分子材料基本都没有明显的熔点，经常会认为它们的熔点是一个范围，而非特定值，所以这里说得可能有些不准。
另外，这里未加区别高分子的玻璃化温度以及熔点，实际应用中更会考量玻璃化温度，因为那个温度下高分子材料就开始软化了，开始脱离使用温度，而这个温度往往比熔点小很多。具体可查任何一本《高分子物理》教材。
[3] 对于理性的解释，读者可以从“离域大π键”以及“键能”的角度查找相关资料，主要是《有机化学》和《结构化学》。
扼要地讲就是电子在整个分子中分布地更均匀，电子离域了，整个体系能量降低，激发态和基态能极差更大，需要更大的能量输入才能激发芳杂环化合物，这点可以从量子化学从头算验证，点个关注，我更新相关内容后会推送的。
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