【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

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

　　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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（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