【化學奇境】一線千珠走入分子世界

漫遊分子奇境‧第五講 特稿
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五光十色的分子串珠(金必耀教授製作,攝於11月6日探索講座會場)

撰文 ∣ 柯昭儀

  分子是由原子所組成的,它是讓純物質保持化學性質的最小單位。當化學反應發生時,分子內部用來連接原子的化學鍵會斷裂,原子將重新組合,並且透過連結彼此的化學鍵形成另一個分子,這個分子將具有跟原來分子不一樣的特性,可能是反應活性的改變,或是具有特殊的光學性質或是電磁特性。雖然目前人們知道的分子種類已經超過兩千萬種,但是為了追求更美好的生活品質及提高人類的健康水準,化學家仍持續不斷的開發新的分子,期待藉由它們蘊藏的特殊性質或是變化萬千的反應,開啟另一種可能。

  其實大部分的分子並非自然界所擁有,而是化學家基於美好願景,千方百計合成而得。有趣的是,有些分子乃是在誤打誤撞下與世人見面,像1985年登上《自然》(Nature)期刊封面的C60,它是英國化學家柯洛托(Sir Harold W. Kroto)的無心之作。柯洛托原本要探索星際間的塵埃光譜,卻在柯爾(Robert F. Curl)與史莫利(Richard E. Smalley)兩人的協助下,從被雷射照射的石墨上發現C60;這個巨大空心籠結構的分子,是由60個碳原子組成有20個正六邊形及12個正五邊形所組合,所有的正五邊形彼此都不相鄰,而是與正六邊形相接,正五邊形及正六邊形規律的鑲嵌在球體表面,看起來就像是足球上面彼此交錯的黑白格子,因此又被稱作「足球分子」。

  繼C60以後,C80、C120、C180、C540等一系列由純碳所組成的籠狀分子陸續問世,這類分子都是由偶數個碳原子形成,其通式為Cn(n為大於24的偶數)或C20+2m(m為六圓環的個數),又稱做芙類分子(fullerenes)或碳簇。C60雖然與石墨及金剛石一樣都是碳的同素異形體,卻不同於石墨的平面層狀結構及金剛石的晶體構造,而是以高對稱的中空籠狀結構存在,這種特殊的結構使C60的對稱面高達120個,所以儘管這個大型分子僅由60個碳原子組成,高對稱使的能量降低,所以能夠保持高度穩定性,當然它也是芙類分子當中結構最穩定的一員。而C60豐富且前所未見的物性及化性,亦廣受各界矚目;無論是在電池、觸媒、半導體或是新型藥物的應用上,不但正方興未艾,而且研究範圍亦與日俱增。

御繁若簡

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串珠還不妨拿來做成其他化學分子的模樣,譬如這個在星巴克桌上毫無違和感的EMAC。(取自金必耀教授部落格)

  對化學家而言,對稱性可讓看似繁雜的分子,透過條理的歸納,簡化理論計算所需的時間,像是它能節省晶體結構鑑定需要的工作量。目前的研究也發現許多分子的化學性質,像是分子振動、分子的偶極矩或是光譜特性都跟對稱性有關,對藥物而言它更是重要,常常只有其中一個對映異構體具有藥物活性,另一個不但沒有療效,甚至可能有危害生命的劇毒。

  在學習化學的過程,如果能夠熟知分子的對稱性,不但能有助於理解分子的穩定性與其反應特性,甚至可增長對於生活現象及大自然變化的認識。但僅由紙本的平面圖並不容易展現分子在三度空間的幾何結構,更遑論透過原子的實際排列方式,來感受原子的鍵結之奧妙,因此搭配模型來認識分子的立體結構格外重要。目前建構分子模型的材料以「球與棒子模型」、「摺紙模型」及「紙片模型」最為常見,這些不同的工具所需要的技巧、耗費的時間與成本不盡相同,其對於分子立體結構的呈現效果亦各有所長。以製作C60來說,「球與棒子模型」需要60顆球與90根棒子,以每根棒長2公分來看,作出來的C60至少有30公分大,如果是C120或C180這些更大的芙類分子,當然就更龐大了,對保存而言,實在是太佔空間了。如果是採用「摺紙模型」及「紙片模型」來製作C60,則不但麻煩、耗時,做出來的模型也相當大,加上紙的材質非常脆弱,容易破損,所以並不適合保存。

  能不能有更有簡便有趣的方法,可以像是玩積木或是捏黏土,讓我們輕鬆、快速的製作出吸引人的分子模型?台灣大學化學系金必耀教授發揮創意,把時下風行的串珠,拿來作為建構分子模型的素材,巧妙編織出一系列讓人眼睛為之一亮的芙類分子模型。這種串珠模型可以隨心所欲選擇喜歡的珠子;像是瑪瑙珠、米珠或水晶珠,所以打造出來的分子有如飾品般閃亮迷人。值得一提的是,如果選用球形珠子,由於珠珠之間的排斥力類似分子內部的作用力,所以它的串結相當接近真實芙類分子,比起上述的傳統分子模型也更為穩定。

  金教授在11月6日的演說中,除了分享他的串珠工法,現場還展示了串珠編織的多孔狀沸石結構,以及各種三度延伸的週期最小曲面,讓現場觀眾在除了感受分子既對稱又精巧的幾何美學,也能從藝術的角度領略分子之美。教授特別提醒大家,串珠分子與其它分子模型最大的不同之處在於,每一顆珠子代表的是一個化學鍵,並不是所組成的原子;以C60而言,它是由代表化學鍵的90顆珠子所構成,原子則是位於2顆珠子當中的縫隙。

  無論是構造多麼繁雜的巨大分子,只需要一捲串珠線,加上一把符合實際化學鍵數量的珠子,花一點耐心,依照一定的程序和位置舞動珠子,人人都能發揮巧思,跟著一線千珠走入分子世界,除了可以目睹渾然天成的對稱之美,亦能領略一沙一世界的奧妙。

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附錄:這個超巨大的EMAC目前懸掛在台大化學系積學館大廳裡,瞧瞧它可以發光。EMAC由該系彭旭明教授首度合成。

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EMAC在大廳中。(攝影J.-H. Huang)

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(本文作者畢業於淡江大學化學研究所,現從事消費品檢測領域)

延伸閱讀:台大科學教育發展中心探索基礎科學講座2010年11月6日的全程影音(請從左側點選第五講)、化學家用珠珠串出富勒烯(Fullerene)家族

責任編輯:MissZoe

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2 thoughts on “【化學奇境】一線千珠走入分子世界

  • 2010 年 11 月 29 日 at 14:24:08
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    金教授的演說非常深入淺出,尤其搭配串珠工藝更引發大家想深入了解的興趣.是很成功的講座.

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  • 2010 年 12 月 28 日 at 20:54:24
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    謝謝教授辦了這一場講座,很有趣也很有收穫。網站提供的資訊也很豐富喔! 謝謝 ( :

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