【探索23-5】進擊的聚合物!那些好奇心、觀察力的產物

交通大學應用化學系陳俊太教授介紹高分子材料,透過三項高分子重要發現,他希望讓大眾理解科學研究與日常生活中最重要的好奇心、觀察力。

講者|交通大學應用化學系教授 陳俊太
彙整撰文|葉珊瑀

高分子的別名有大分子、聚合物,一般分子量10,000以上,由簡單重複單體以共價鍵結聚合而成。一般高分子的分子量越大者,機械性質越好。理想的情況下,科學家希望高分子能夠有較均一的分子量。

1920年施陶丁格(Staudinger)提出「高分子是以共價鍵結的長鏈分子」,使得不同高分子開始被有系統、大量合成出來,他於1953年獲得諾貝爾化學獎。今年正好是高分子科學百週年紀念,重量級高分子期刊Polymer Chemistry在最新一期的封面放上施陶丁格的肖像以紀念他的貢獻。

●巧妙的高分子重大發現(一)硫化橡膠(Vulcanized rubber

哥倫布(Columbus)1493年二訪美洲時,發現在歐洲從未見過的橡膠球。當時所發現的橡膠球是未交聯的,但具有高分子量,可以維持形狀一段時間,然而最終因爲不是化學性交聯,時間過久外型就會垮掉。

持續研究橡膠的固特異(Goodyear)希望橡膠能耐熱、耐寒、不會變形。1844年某次實驗,他不慎把鉛、硫、橡膠混合物潑灑在小火爐上,竟發現物質性質產生變化。幾次實驗後,他確認只要加硫、加熱就能造成橡膠交聯,使得橡膠具有形狀的穩定性。在汽車時代,他與兄弟以固特異為名,創辦汽車輪胎公司。

●巧妙的高分子重大發現(二)鐵氟龍(Teflon, Polytetrafluoroethylene

鐵氟龍為聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene),結構中每兩個碳上下各接了兩個氟,1938年由杜邦公司羅伊布朗克(Roy J. Plunkett)意外發現,他製作新的氟氯碳化合物冷媒時,將四氟乙烯高壓儲存在鐵製容器中,沒想到鐵成為聚合反應的催化劑,在容器中聚合成鐵氟龍。

●巧妙的高分子重大發現(三)導電高分子(Conductive polymers

一般有機高分子為絕緣體,原因是其碳碳單鍵的組成不具有可自由移動的電荷。當單鍵與雙鍵交替鍵結,P軌域上的電子可以沿著分子主鏈非定域化,形成混成分子軌域的共軛鍵結。導電高分子可以應用於有機場效電晶體、有機太陽能電池、有機發光二極體、生物感測器等領域。針對未來發展的可能,陳教授認為易彎折的塑膠若能夠與顯示器、感測器結合,將會有很高的應用價值。

2000年諾貝爾化學獎頒發給三位對於導電高分子發現有功的學者,分別是東京工業大學的白川英樹(Hideki Shirakawa)、賓州大學的艾倫・麥克德爾米德(Alan MacDiarmid)、加州大學聖塔芭芭拉分校的艾倫・黑格(Alan J. Heeger)。在那個沒人預料到高分子可以導電的時代,故事要從銀色聚乙炔說起⋯⋯

1967年有位訪問學者加入白川英樹的實驗室做實驗,原本應合成黑色粉末的聚乙炔,沒想到卻製出了帶有銀色光澤的聚乙炔薄膜。白川英樹發現該位訪問學者實驗過程中使用的催化劑超出實驗室規定1000倍,重複程序以後確認能複製出那奇異的薄膜。白川前往賓州大學找艾倫・麥克德爾米德開始利用碘蒸氣來氧化聚乙炔,後來又請艾倫・黑格協助量測成品,竟發現摻碘後聚乙炔薄膜的導電度可以大幅增加。

●先查再想?先想再查!記得你的好奇心與觀察力

現代多數人遇到問題時,總是先上網以搜尋引擎確認這個問題有沒有人回答過,陳教授指出,即便過往已經有文獻做過相似的內容,但是採取方式可能不同。如果都是先查再想,便可能會落入前人的思路框架中。保有好奇心、觀察力才是關鍵,不只是科學研究,也可從日常生活中得到創新的靈感。

陳教授某次與日本學者們約好在鼎泰豐餐廳用餐,在外頭等待時透過透明窗觀察師傅製作水餃的過程。那一個個被壓扁的麵團,讓他想到在製作高分子材料過程最常出現的就是正球體,其他非球狀構造反而很難製出。能不能像壓扁麵團一樣,壓扁這些正球體呢?他實踐了這個奇想,後來發表論文於期刊。當時與德國期刊編輯書信來往時,還描述了這個鼎泰豐的故事,日後編輯甚至專文介紹這個故事:From the Kitchen to the Lab: Dumplings Inspiring Nanoscience。

陳教授每逢期末考,都喜歡出「加分題」讓學生體驗框架外思考的重要性。這些加分題要運用的不只是應用化學的相關知識,還必須走訪校園各地、留意小角落給的啟示,再添一點說文解字的技能,才能獲得得來不易的一、兩分。相較於原始考卷滿分100,加分題費時費力卻僅值百分之一、二,難道就沒有學生抱怨嗎?陳教授說,他想透過加分題給予學生的是樂趣,不希望他們只是追求成績。有學生領悟這有趣之處,甚至速速將原始考卷完成,開始加分題的遊戲。陳教授出題時,一般在一小時內就可以把100分考卷出好,但2分加分題目甚至需要半年的時間醞釀,在生活中找到微小細節,累積一道道關卡。分數只是學生在求學時期所在乎的,多年以後,學生們帶走的會是充滿好奇心、觀察力的思維,幫助他們尋找人生方向。

 

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本文整理自:109/4/18由陳俊太老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「進擊的聚合物」演講內容。

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