【特別報導】2012諾貝爾獎預測（三）化學獎

【特別報導】2012諾貝爾獎預測（三）− 化學獎
東吳大學化學系王榮輝助理教授編譯/臺灣大學科學教育發展中心陳藹然責任編輯

今年湯森路透社（Thomson Reuters）選出在醫藥、物理、化學和經濟領域有可能獲得諾貝爾獎候選人，這些『湯森路透引文桂冠』（Thomson Reuters Citation Laureates）得主，在各自研究領域中以被大量引用的文獻證明他們的在科學上的成就是『諾貝爾級』。

2012年湯森路透引文桂冠在化學部門得獎的三個研究分別是：量子點（Quantum dots）^[1]、金催化（Gold catalysis）^[2]和二氧化鈦光觸媒（Titanium dioxide photocatalysis）^[3]。

（一）、量子點（Quantum dots）
研究者：Louis E Brus -美國哥倫比亞大學化學系教授

Louis E Brus

當少數化學家認為他們發現了一個在科學界中前所未見的領域，但殊不知在八十年代，一名紐澤西州AT&T貝爾實驗室的研究人員，Louis Brus，就已經發表了兩篇的相關研究論文^[4,5]；內容是關於這些被Brus稱為”小半導體晶體 (small semiconductor crystallites)”的電子行為。而今日，這些晶體被歸類為半導體奈米晶體，也就是人們所說的”量子點”。雖然這些量子點是由成千上萬的原子所組成的原子簇，但它們卻擁有如同是單一原子所特有的不連續電子能階。

由Brus所提出的這兩份重要論文至今已經被引用了超過三千五百次，引導著現今相關科學探索中的主要領域走向，並廣泛應用於電腦計算、生物，甚至是醫療診斷。而這些量子點在光學方面最值得一提的，則是在發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)上的應用。

Brus原先選擇研究這類膠體半導體奈米顆粒的行為，是著眼於它所具有的大表面積，然而卻出乎意外地發現這些晶體所具有的最小能隙，也就是促使一個電子要脫離其原子束縛轉移到其他能階所需的能量，不是固定而是具有不同的數值。他推論這應該和原子簇的大小有關，尺寸越小，對原子內電子的束縛也就越大。這也就是為什麼這些量子點，在使用UV光照射時，會顯示出不同顏色的原因。

圖一、不同大小的量子點在紫外光照射下呈現不同的顏色。 (from http://www.aist.go.jp/aist_e/aist_today/2006_21/hot_line/hot_line_22.html)

Brus察覺他在無意中發現了新的東西，而且持續著力於實驗並從理論上解釋這些現象。他的發現開啟了科學上的新領域，而他持續提出的寶貴實驗貢獻，更讓這門研究有著指數性的成長。

基於”發現膠體半導體奈米晶體(又稱為量子點)”，Brus被視為有可能獲頒諾貝爾化學獎的人選。

（二）金催化（Gold catalysis）
研究者：Masatake Haruta 春田正毅 – 日本首都大學東京 名譽教授、日本首都大學東京城市環境科學研究所分子應用化學系特聘教授Graham J. Hutchings – 英國威爾士加的夫大學加的夫催化中心主任、物理化學教授

春田正毅(左)與Graham J. Hutchings(右)

回到八十年代，Haruta開啟了研究金的化學催化性質的興趣，而在兩千年時，Hutchings更將金的化學研究推進至一個全新的高度。

長久以來，金一直被視為是最不具反應性的金屬，在1985年時卻意外的被Haruta揭露了其具有絕佳的催化性質^[6]。進一步的研究發表於1987年，一篇關於在非常低的溫度下，由金催化所進行的一氧化碳氧化反應^[7]，迄今已經被引用超過一千次。而在1997年所發表Haruta的完整研究回顧^[8]，更是吸引了超過兩千次以上的引用。

圖二、奈米金催化一氧化碳氧化反應。(from Chem. Commun., 2005, 3385-3387)

Haruta證明了這些膠體金粒子，在以五奈米或更小的原子簇形式下，可以作為一具有顯著效用和具選擇性的催化劑，特別是在有氧氣涉及的反應。他說明了金的催化活性可取決於顆粒大小、製備方式和載體材料的選擇，而他所使用的濕式或乾式的製備法，也被全世界相關研究廣泛的使用。一般具有200個金原子的原子簇可經由合成製得，在特定情況甚至可製備少於20個原子的原子簇。在合適的條件下，金可進行的催化反應種類可從碳氫化合物的部分氧化，到先前認為只有鉑和鈀催化劑才能進行的不飽和羰基化合物的氫化反應。

而Hutchings在2006年集結了同樣以創新的方式，來製備更先進的金催化劑而寫成的文獻回顧發表^[9]，也吸引了超過上千次的引用。他的研究貢獻在於拓展了奈米金顆粒可利用的反應領域，例如使用金鈀/二氧化鈦的組合，不需要外加溶劑，就可將一級醇氧化成醛類；以及在2002年成功地使用氫氣和氧氣，在不生成副產物水的條件下，可以快速地合成過氧化氫。
金催化劑可視為推進綠色化學工業的重要一步，由於它們可以減少反應中副產物的生成，可以Hutchings研究中所提及的丙烯環氧化反應和二級胺生成反應為例。

基於”獨立的金催化基礎研究”，Haruta和Hutchings被提名為諾貝爾獎的可能得主。

（三）、二氧化鈦光觸媒（Titanium dioxide photocatalysis）
研究者： Akira Fujishima（藤嶋 昭）–日本東京理科大學校長、東京大學特別名譽教授、神奈川科學技術學院最高顧問

Akira Fujishima（藤嶋 昭）

在過去幾個世紀以來，具有一金紅石和銳鈦礦結晶型態的二氧化鈦一直為人所知，直到上個世紀被發現可作為油漆中添加鉛的替代品，二氧化鈦才開始具有重要的商業價值，雖然有用但卻沒有一丁點化學上的研究興趣。直到1972年，一篇在”自然”期刊上所發表的文章[10]，揭露了二氧化鈦不為人知的一面：可作為一個進行水光解來產生氫氣的催化劑，即使可產生的能源產量只有少量的0.4%；這是由當時在Kenichi Honda的指導下，Fujishima在博士期間所進行的研究，迄今已經有超過六千次的引用次數。

雖然Fujishima的研究並沒有為二氧化鈦帶來真正的商業應用，然而他的團隊在九十年代的持續探索，則挖掘出另一個由二氧化鈦的光催化性質所造成的表面超強親水性。換句話說，經由UV光的照射，可使它的表面產生永久性的變化，進而影響了它和水之間的作用力。二氧化鈦表面上的水滴，基於表面張力無法再維持圓球的形狀，進而崩垮形成一個均勻的薄膜；若是在一個垂直或傾斜的表面，則水滴會迅速地流走。Fujishima推測這超強親水性，可能是由而二氧化鈦上氧橋的形成所造成的。

圖三、二氧化鈦光觸媒進行光分解有害有機物的機制。(from http://environauts.wordpress.com/2010/09/21/titanium-doxide-a-star-is-born/)

當二氧化鈦表面經由光的照射，其光催化效應跟親水特性則同時被啟動，任何有機的化學物在接觸到表面後則進行分解，生成二氧化碳跟水，而這樣的過程在一般的常溫環境下就可進行。這個發現開啟了二氧化鈦可用於玻璃表層的塗佈和使用在汽車側後視鏡上，使其具有自潔能力的廣泛用途；在1998年，Fujishima更是使用了大腸桿菌，證明了其具有清潔被疾病病原體污染表面的潛在應用性。曾有人建議：使用二氧化鈦塗佈的表面，可用於協助消除空氣污染來維護環境，而日本現今已經開始在道路鋪設時使用這項技術。

基於”發現一被稱為Honda-Fujishima效應的二氧化鈦光催化性質”，Fujishima被推薦為潛在的諾貝爾獎角逐者。

參考資料：
1. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/quantum-dots
2. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/gold-catalysis
3. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/titanium-dioxide-photocatalysis
4. Journal of Chemical Physics 1983, 79[11], 5566-5571.
5. Journal of Chemical Physics 1984, 80[9], 4403-4409.
6. Abstracts of Papers of the American Chemical Society 1985, 189, 171, April.
7. Chemistry Letters 1987, 2, 405-408.
8. Catalysis Today 1997, 36[1], 153-166.
9. Angewandte Chemie International Edition 2006, 45[47], 7896-7936.
10. Nature 1972, 238(5358), 37-38.