【科學講古列車】化學的過去與未來

講師｜中研院化學研究員  許昭萍老師
撰文｜卓芷伶

物理學家費曼說：「 假如人類所有的知識，都在一場大災難中毀於一旦，只有一句話能傳達給後代子孫，哪句話可以用最少的字但包含最大量的訊息呢?」費曼認為那是原子假說。原子說不僅是化學的基礎，也開啟人類探討自然的一扇門。如同原子組成所有物質，化學也幾乎構成日常生活中的一切，本講一一從食物、衣服、環境等方面來探討化學的過去與未來。

●烹煮的化學變化

縱觀古今，原始人使用火烹煮食物 ，利用化學變化殺死生食中的細菌 ，降低人體受到感染的機率，提升生存率，可知用火是人類進化的一大步。

舉例來說「生米煮成熟飯」這句話有兩個層面的意思：第一是當溫度升高，米粒在加熱過程中，會加速水解酶的反應速率，幫助米粒變成更小的分子，更易於人體吸收。第二件事是澱粉加熱後糊化，澱粉中的纖維於高溫水中被撐開，與糖水結合，產生化學變化。

當糖跟蛋白質一起加熱，會出現咖啡色的物質，稱之為「梅納反應」，滷味、麵包、咖啡豆、牛排等食物都是因為梅納反應而色香味俱全。

●人工香料

唐朝的楊貴妃愛吃荔枝，快馬加鞭將南方的荔枝送往北方。但在現代，除了農業進步使荔枝多產，我們也不必是貴妃。人工香料的出現，讓荔枝的氣味不再稀奇，更使荔枝平民化，人人皆吃得起。在資源稀少的情況下，化學能使這些事物平民化，帶給人類更多福利。

化學香料雖然在現代被視為洪水猛獸，但不管是我們所熟悉的鳳梨酥，或各式水果風味的加工食品，都添加了化學香料。從化學物質方面來看，酯類常具有香味，是由有機酸加上醇類脫水而來，有複雜的化學組成。食品化學工業會製造出許多不同的酯類，也是各式各樣香氣的化學香料來源。

●食物的激增

哈柏在1860年代出生，在當時人們就已經擔心地球供養不起人類，因為自然界中的氮肥，來自於豆類植物、根瘤菌的固氮作用或是動物的排泄物，但這樣的肥料不足以供給正在增加的人口。於是哈柏設法製造出氨，在高溫高壓環境下，讓氫氣跟氮氣合成氨，再換成含氮化合物，成功將氮肥工業化，讓糧食產量大增，是人類得以繼續生存的關鍵。

●比黃金還貴的紫色染料

在衣料方面有兩個部分，分別為染料與布料。

在過去有個古城名為泰爾，位於現今的黎巴嫩，那裡盛產著紫色染料，是利用螺、海蝸牛身上提煉出的色素浸染衣服，價格非常昂貴，甚至比黃金還貴。因此在古代，紫色是帝王權貴的象徵。

同樣是紫色染料的製造者，柏金博士(perkin)出生於1838年，18歲那年perkin正嘗試使用化學方法製造出能醫治瘧疾的「奎寧」但沒有成功，卻意外製造出一種淡紫色的物質，後來被稱為「苯胺紫」，而且不易褪色，適合當衣服染料，在當時引發一股時尚風潮。到了現代，化學染料十分普遍，顏色多樣且便宜，更消除了舊時的階級觀念，人民可以平等地穿著各色服裝。

●石化纖維的出現

過去布料的來源有：棉花、羊毛、麻、絲織品。在石化產業興起後，衣物標籤上面常見：聚酯纖維、人造絲、尼龍等等，這些衣料是石油化學工業產生出來的新一代產物。在過去，還沒有出石化纖維的時候，衣服的價格相當昂貴，普通人家為求溫飽都來不及，很少能買到材質好、保暖的衣物，而有閺子騫單衣順母的故事。以現在的物價來說：一件350元的聚酯纖維衣服，僅需7個50元便當就能換得，這就是化學從「過去」到「現在」的變化與進步。

再來談談其他種類的布料，機能性布料可以適應極端氣候，保持體溫以及乾燥度。 例如在衣服表面塗上一層「鐵芙蓉」既可以防水也能透氣，此材質有非常好的疏水性，或是蓮花效應、奈米結構可以用於防水一途。舉一個關於防水材質的有趣實例：在德國漢堡與美國舊金山常發生有人喝醉在街上圍牆上隨意小便，於是有人在牆角處塗上一層防水塗料，那些人只要隨意小便，尿液便會反彈回自己的褲管、鞋子，算是給這些人小小的警惕。

●判斷加工物好壞的標準

無論是過去還是現在，人工的化學產物越來越多，該如何判斷好壞非常重要。 舉例來說，麻油的油是如何萃取出來的？熱炸？冷壓？溶劑？若我們使用溶劑去萃取，過程中會有「溶劑是否安全乾淨的疑慮」？裡面是否含有微量的有毒物質？「天然」意義已不在於是否為石化製品或是否有人為加工，而是在製造過程中，原料是否乾淨？製程中是否對地球或人類造成汙染？是否對環境友善 ？這才是產品真正重要的精神。

近年來登革熱肆虐南臺灣， 防蚊液成了家庭必備產品。目前台灣防蚊液有四種不同成分，其中之一是含「待乙妥」(又稱：DEET、敵避)成分，坊間相傳對人體有害，但其實DEET在台灣使用已經超過50年，現在的你我可能早已不是第一批使用DEET驅蟲的人。只要劑量適當，老牌的東西往往能使人信服。反觀市面上許多防蚊液標示含有植物精油，大自然中的植物精油含有複雜的化學成分，不但持續時間不長，還可能造成人體過敏的危險。

●我們面對的「未來」？

未來，地球會出現許多環境問題，需要更多人才去處理這些問題。聯合國發表了全球永續發展目標(SDGs)，期望在15年內達到8項目標，包含：消滅貧窮飢餓、普及基礎教育、促進兩性平等、降低兒童死亡率、提升產婦保健、對抗病毒、確保環境永續與全球夥伴關係。

人口爆炸，全球人口大約70多億。哈柏法製氨也帶來負面影響，大量的化肥流入河川湖泊中，造成優養化，出現生態浩劫。人類面臨糧食、水、資源的缺乏，預計將在未來100年內用完部分重要的礦產資源，到時化學週期表上的許多元素將會消失。環境也日益惡化：生物多樣性銳減、空氣品質、海洋酸化、氣候變遷、化學汙染、土地利用、臭氧層破洞等問題，仍需要人類刻不容緩的搶救。

我們需要培養系統性思考的能力，不僅兼顧原料來源的乾淨與否，也要思考如何回收廢棄物？

我們會挑選原料、會製造，但卻缺乏將廢棄物變成資源的能力，這將是化學很重要的一環，而且需要每一代的人去努力。