Im Jahr 1920 schlug Hermann Staudinger, ein deutscher Chemiker damals an der ETH Zürich, gegen den Konsens seiner Kollegen vor, Kautschuke, Cellulose, Proteine und andere hochmolekulare Stoffe seien lange kovalente Ketten aus kleinen, sich wiederholenden Einheiten, nicht Aggregate kleiner Moleküle, die irgendwelche geheimnisvollen Zwischenkräfte zusammenhielten. Er wurde fünfzehn Jahre lang verspottet und behielt recht; der Nobelpreis 1953 würdigte schließlich die makromolekulare Hypothese. Bis dahin hatten Nylon (Carothers, DuPont, 1935), Polyethylen (ICI, 1933), Teflon (Plunkett, 1938) und Kevlar (Kwolek, 1965) die Fertigung verändert. Heute liegt die weltweite Kunststoffproduktion bei über 400 Millionen Tonnen pro Jahr.
Ein Polymer ist ein Makromolekül, aufgebaut aus vielen Kopien einer kleinen sich wiederholenden Einheit, dem Monomer, und die Polymerisation kommt in zwei Hauptvarianten: Addition (Vinylmonomere wie Ethylen verbinden sich, ohne Atome zu verlieren) und Kondensation (jeder Schritt setzt Wasser frei — die Chemie von Nylon, PET, Proteinen, DNA). Der Mechanismus ist nicht egal: das Kettenwachstum schiebt ein einziges aktives Zentrum vor, das Monomere nacheinander aufnimmt; das Stufenwachstum lässt beliebige Monomere oder Oligomere zusammenfinden und liefert nur bei hohem Umsatz hochmolekulare Ketten. Strukturvariablen bestimmen das Verhalten — die Taktizität (die relative Orientierung der Seitengruppen entlang der Kette) ist das sauberste Beispiel, denn isotaktisches Polypropylen kristallisiert, ataktisches bleibt amorph —, und die Vernetzung trennt Thermoplaste (linear, einschmelzbar und umformbar) von Elastomeren (leicht vernetzt, gummiartig) und Duroplasten (stark vernetzt, nicht wieder schmelzbar). Die Glasübergangstemperatur T<sub>g</sub> trennt glasartig-sprödes von gummiartig-flexiblem Verhalten; sie ist kinetisch, kein echter Phasenübergang. Das Pantheon der synthetischen Polymere erledigt den größten Teil der Arbeit des heutigen materiellen Lebens — Polyethylen, Polypropylen, PVC, Polystyrol, PET, Polyurethane, Nylons, Aramide, Fluorpolymere — und die biologischen Polymere leisten die Arbeit des Lebens selbst: Proteine (Amidbindungen), Nukleinsäuren (Phosphodiesterbindungen), Polysaccharide (glykosidische Bindungen), wobei Cellulose mit rund 10¹¹ Tonnen das häufigste organische Polymer der Erde ist. Die Selbstorganisation von Blockcopolymeren, Tensiden und sich faltenden Proteinen trägt einen großen Teil der Materialwissenschaft und der Strukturbiologie.
Die Plastikvermüllung ist ein globales Umweltproblem ersten Ranges: von den rund 9 Milliarden Tonnen Kunststoff, die je produziert wurden, sind 6 Milliarden Tonnen heute Abfall, und Mikroplastik (<5 mm) findet sich in Tiefseesedimenten, im Arktiseis, in menschlichem Blut und in Muttermilch. Nur rund 9 % allen je produzierten Kunststoffs sind recycelt worden; Biokunststoffe (PLA aus Mais, PHA aus Bakterien) und chemisches Recycling (Depolymerisation zurück zu den Monomeren) sind die lange versprochenen Lösungen, die langsam in den kommerziellen Maßstab wachsen. Hochleistungspolymere (Kevlar, Dyneema, Polyimide) verschieben spezifische Festigkeit und Temperaturgrenzen; leitfähige Polymere (Nobelpreis 2000) treiben OLED-Displays und organische Photovoltaik; Vitrimere — kovalent vernetzte Polymere, die oberhalb einer Übergangstemperatur fließen — ermöglichen recyclingfähige Duroplaste.