【人物專訪】光芒照耀的化學路──專訪鄭原忠

●4/20 鄭原忠老師主講:「為什麼週期表長這樣?—解析元素週期性背後的量子密碼」點此報名

採訪、撰文|謝維容

一說到化學,似乎會令人聞之色變。食品要無「化學」添加物,清潔用品要天然不含「化學」成分,化學似乎與「不健康」、「有毒」畫上等號,但真是如此嗎?臺大化學系副教授鄭原忠老師並不這麼認為。「化學是很有趣的,日常生活中每天都在發生。」他說。鄭老師從生活中常見的光化學、光合作用,到二十世紀才發現、終於能解釋週期表排列原因的量子力學,一步步帶領我們了解這由原子核與電子構成的有趣世界。

●決定走入化學

鄭老師在國中時就覺得化學很有趣,卻是在高中代表學校參加化學競賽時,才一腳踏入化學領域。在參加競賽時鄭老師拿著學校化學實驗室的鑰匙,「每天就是亂玩」他笑著形容,漸漸培養出對化學的興趣,並進入台大化學系。

在取得台大化學碩士的學位後,鄭老師原想到科學園區工作,完全沒有計畫到國外就學,卻在當兵時發現自己不適合業界,退伍後就準備到國外進修。期間還發生過一個小插曲,讀碩士時鄭老師因為實驗室需要,自己組裝電腦、安裝Linux作業系統,因此參與了Linux中文延伸套件計畫(Chinese GNU/Linux Extensions,簡稱CLE),成為Linux最早在亞洲區在地化的企劃之一。儘管有許多團隊想要向CLE學習,鄭老師在服役時也曾完成許多資訊相關的工作,卻也發現化學才是自己的興趣所在,回到校園內擔任一年實驗助理後就申請上麻省理工學院。

●一度陷入瓶頸

在麻省理工學院攻讀博士使鄭老師進入如今的專業領域──理論物理化學,卻也使老師碰到一大瓶頸。當時鄭老師的研究主題是有機分子晶體內電子遷移率的理論模型,需要採用貝爾實驗室中實驗學家揚‧舍恩(Jan Hendrik Schön)的實驗數據。就在鄭老師的論文即將完成之際,舍恩的實驗數據卻被查出造假,老師只能重新採用80年代的實驗數據,而這篇論文更是延遲到2008年才發表。

參考的數據造假使還未取得博士學位的鄭老師必須更換研究主題,轉而研究量子計算、光合作用系統的題目。鄭老師因此在短時間內學習大量新知,轉換研究領域的壓力一度使老師感到挫折,但也累積了許多與光化學相關的研究經驗,使鄭老師在畢業後進入柏克萊大學的Fleming實驗室,以二維電子光譜為主題進行博士後研究。

●都是電子的陰謀

鄭老師的許多研究都與光息息相關。分子受到光的照射,會吸收能量而從基態躍升到激發態,並發生能量轉移導致化學反應。這個過程非常迅速且難以觀察,而鄭老師在Fleming實驗室進行的二維電子光譜方法,需要利用三束雷射光,一束光將分子激發,另外兩束光則以吸收光譜的方式觀察分子在激發態的能量轉移情況。

光除了會使分子產生能量移轉,在日常生活中也處處可見光化學。光合作用就是自然界最成功的光化學,植物透過吸收陽光,將能量轉換為化學能並儲存在醣類、纖維素等高能量分子內,將光能轉換為化學能。無論是石油、天然氣等現代文明世界賴以為生的石化燃料,或者稻米、蔬菜等人類的營養來源,都有賴發生在葉綠素中的光化學反應。鄭老師形容,「我們今天之所以能活在這裡,靠的都是光合作用捕獲的太陽能。」

而這些能量的移轉其實都是「電子的陰謀」,電子的移轉驅動了化學反應、電子的數量影響了原子核中質子與中子數量、電子組態決定了原子的特性、電子殼層的數量就是原子在週期表中的排列成因。化學的核心是電子在驅動,化學反應就是電子在不同原子排列間變化的過程。電子的陰謀實在不容小覷。

●需要更好的化學

雖然有許多人「聞化學而色變」,但化學的發展決定性的影響了人們的生活,也推進文明的進步。嶄新化學的出現不一定代表好事,比如諾貝爾發明的化學炸藥使戰爭規模擴大,但化學可以解決遠比它所帶來的災害還要多的問題。抗生素的人工合成法發明後,人類的平均壽命大幅延伸;哈伯製胺法使化學肥料問世,養活世界上一半的人口。就連科技進步、汽車出現後燃燒石化燃料所造成的空氣汙染,仍需要化學家發明觸媒轉化器、使政府規定所有車輛皆須安裝,減緩光化學煙霧與污染等問題。還有與生活最貼近的食品、食物安全等,檢驗出食品有添加劑、如何排除食品汙染的方法,仍需要依靠化學。

「我們需要的是更好的化學。」鄭老師說,不應該害怕地去避免化學,而是以科學理性的態度去面對它。化學存在於所有人的日常,擁有更好的化學,人類才能擁有更好的生活。

當化學成為日常,了解化學也是在認識這個世界。儘管談論到化學改變科技、促進文明,鄭老師對化學的態度總不離初衷:「化學很有趣啊。」從國中就萌發的興趣不減,老師也將繼續走在這條有光照耀的化學路上。

 

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