【會後報導】李遠哲院士主講:「分子的碰撞與化學反應」

img_9717撰文|李勤

●嚴謹、仔細的紀錄與獨立思考解決問題

李遠哲院士在國內與海外的化學界中佔有相當重要的地位,1982年他在國內創辦了原子與分子科學研究所,提攜了台灣從事物化研究的年輕學子,更在1986年榮獲了諾貝爾化學獎,同時也是首位獲得此殊榮的台灣人。李院士精巧的實驗設計,被恩師Dudley R. Herschbach教授稱讚為「物理化學界的莫札特」,然而這樣的巧手並不僅源自天賦,更多是從李院士做實驗的嚴謹態度中,一點一滴的經驗累積而來,這點可以從他的投影片中窺見端倪。李院士的演講簡報裡穿插著他的手寫筆記,字跡工整而有條理,讓人不難聯想到他做實驗時注重細節的原則,李院士於柏克萊大學攻讀博士班時,對所使用的實驗儀器了解深入,乃至設計、原理…等無一不摸得透徹,他更進一步整理所學,將這些儀器的使用特性寫在筆記本裡,內容清楚且詳細。

「後來這些筆記被實驗室的人留下來、影印,變成了每位到柏克萊大學做相關領域的學生,手中必讀的Bible呢!」演講當天為李院士開場的劉國平院士笑著補述。

李遠哲院士談到他與柏克萊的指導教授Bruce H. Mahan,三年博士班的共事時光裡,Mahan教授只有問李院士兩個問題:「What’s new?」、「What are you going to do next?」,Mahan教授只針對實驗方向給予建議,其餘的操作則是全權交由李院士去摸索。這樣看似放任的師生相處給了李遠哲院士很大的空間,讓他能在物化領域中自由探索、鑽研,這不僅為他奠定了深厚的實作經驗,更訓練出獨立解決問題的能力,這對他日後開發新一代的交叉分子束儀器有很大的幫助。

●實力的累積源於多方學習、深入了解原理

在50年代,交叉分子束已被拿來當作研究原子與分子碰撞反應的工具,任教於哈佛大學的Herschbach教授更是其中的翹楚,以研究鹼金屬反應著名,例如轟動一時的鉀原子與碘化甲烷碰撞後產生碘化鉀的實驗(式1)。此實驗利用轉動的分子束源來偵測產物碘化鉀的角度與速度分布,並使用鎢絲(W Filament)和鉑-鎢合金(Pt-W alloy)作為偵測器,利用兩種偵測器對碘化鉀游離效率的差別,來偵測出鉀原子和碘化鉀的相對產量,從中察覺到原子和分子的碰撞反應與碰撞方位有關,這發現對當時的學界是一大突破,也鼓舞了李遠哲院士在未來投入分子動力學研究。01

李院士在博士班畢業後,留在Mahan教授的實驗室做博士後研究,著手他最感興趣的分子基元反應,並探討離子與分子的碰撞。為此,他設計並架設了新型的交叉分子束,將偵測器改為四極質譜儀與離子計數器,它的運作機制主要是:當離子通過四極質譜儀時,只有特定荷值比的離子可通過,而這些被篩選出的離子被高電位導引、撞擊到電極板上,產生的大量二次電子可被矽偵測器(Silicon Detector)探測並計量,因而達到單一離子計數的功能。這個設計建造完成後,成功地探討了氮氣離子與氫氣分子的碰撞反應(式2),發現產物 \ N_{2}H ^{+} 幾乎帶走所有的動能、並維持與 \ N_{2} ^{+} 一樣的飛行方向前進,證實了動力學裡的脫去反應(Stripping reaction,或稱Harpoon reaction)。02

李院士懷念的表示,在這段自由學習的歲月中他學了很多,從原本使用玻璃管的化學實驗轉而學習研發各種機械設計、機械製造、電子裝置…等,特別是對物理檢測有更深的了解,這為李院士日後在交叉分子束實驗的重要革新埋下伏筆。

●敏銳觀察、洞悉問題根源,在分子動力學領域大放異彩

因為想再多了解分子反應,李遠哲院士加入了哈佛大學的Herschbach團隊,此時交叉分子束已被學界廣泛應用於基元反應的研究,探討對象多侷限於鹼金屬元素,而對於中性分子之間的散射實驗仍無法有精確的量測。當時學者們普遍認為這是因為中性分子在使用表面游離法檢測時,相較於鹼金屬元素更難被離子化,使得偵測器難以探測,即便是使用更強的分子束源,仍無法達到準確測量。

然而唯獨李院士不同意這個說法。他反思鹼金屬實驗的成功,是因為其他分子相較於鹼金屬不容易被鎢絲探測到,因此在實驗的背景雜訊下,鹼金屬的訊號相對容易被觀察,換句話說:「鎢絲檢測看得到鹼金屬,而看不到其他分子」。李院士從中領悟到:「中性分子實驗成功與否的關鍵,是在檢測器對待測分子和背景雜訊的辨別能力」,因此他改進實驗策略,從如何降低背景雜訊下手。

為了降低雜訊干擾,李院士使用分段抽氣(Differential Pumping)的方法,作法是將實驗腔體隔成數個隔間,每個隔間個別使用幫浦抽氣,由於隔間與隔間之間僅有小孔接通,使氣體從氣壓高的束源腔體逸入氣壓低的偵測腔體的流量變小,最終達到降低偵測腔體壓力、提升訊雜比的效果。這樣的實驗設計使得背景壓力大幅降低,中性分子的訊號自然從雜訊中脫穎而出,最終李院士成功做出氟與氘的碰撞實驗(式3),史無前例地利用交叉分子束準確測量出中性產物「氟化氘」的角度與動能分布,此舉震撼了當時的學界,並為分子動力學開創了另一片新天地。03

李院士能有如此巨大的貢獻,除了紮實的苦功所累積的實驗經驗外,更因為他不怕失敗、勇於挑戰使然。李院士進一步強調「能從別人的失敗中攝取成功的經驗」是非常重要的,這使他在當時一片失敗的中性分子探測研究中,能夠不盲從於潮流,一步步抽絲剝繭、了解問題真正的根源為何,最終開闢出新的研究領域。

●理論與實驗的相輔相成,全球暖化與急速減碳的急迫

談到理論與實驗的關係時,李遠哲院士指出兩者的關係隨著科技進步一直在改變,在簡單分子─例如:氫─的研究上,理論已能準確計算。然而對於複雜的大分子體系,理論則尚未完備甚至是無法預測,像是大型生物分子常用的質譜檢測方法:基質輔助雷射脫附游離法(Matrix-assisted laser desorption/ionization,MALDI),便是在實驗時意外的新發現,而現今主流提出的作用機制並不正確。理論確實可以在實驗尚未成熟前預測反應結果,而實驗的實證亦無法被理論推翻,兩者的貢獻都很重要、不可磨滅。

演講尾聲,李院士嚴肅的談到全球化帶來的負面影響,人口暴增與過量使用化石能源所製造出的溫室氣體已造成嚴重的地球暖化,若再不執行節能減碳,則溫度的持續攀升將造成海平面升起與氣候劇變,破壞力極強的颶風也會變多,人類的生活環境將變得水深火熱。李遠哲院士沉重的呼籲暖化是全球性的問題,不論是開發中或已開發國家都應該重視,更是年輕人在不久後的將來首要面對的生存問題,從現在起開始改變還有挽回的餘地,唯有不分界限的共同努力才能拯救地球。

 

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