【化學奇境】新造物時代 超分子新動力

■ 「若能以微觀條件操控物質，必定有驚人發現。」---Richard Phillips Feynman, 1959

撰文 ∣ 柯昭儀

萬物始於分子

有機化合在過去似乎是屬於神的領域，人類從來沒能「自無機中生有機」。1828年德國化學家維勒（Friedrich Wöhler）在實驗室製造出「尿素（urea）」，這個存於動物尿液的有機化合物，終於也能經由氰酸和氨水這兩個無機化合物得到，方才粉碎了過去認為有機化合物只能從生物體內產生的鐵律。150餘年後，裴德生（Charles Pedersen）、克雷姆（Donald Cram）及雷恩（Jean-Marie Lehn）等三人以「皇冠醚」分子（crown ethers），成功模擬人體內酵素的化學反應，因而獲得1987年諾貝爾化學獎，化學家對於分子的掌握達到了出神入化的境界。

「不論是無生命的物質或是生命體本身，都是由分子或分子間的相互作用力所構成。」雷恩教授的這段話，表明宇宙萬物都是分子所組成，也揭開以分子間作用力為核心之「超分子化學（supramolecular chemistry）」的序幕。以往化學家大多針對共價鍵的生成與破壞，進行化學變化的研究，也造就種類多如恆河沙數的分子。超分子化學有別分子化學之處在於，它更關注分子間的作用力，即「非共價鍵」；而分子機械（molecular machine）則是它被賦予重望的應用。台灣大學的邱勝賢教授巧妙合成一個具有內鎖的大環分子「車輪烷」（rotaxane），這是藉由數個大型的冠醚（crown ethers）互相扣環連結的分子，在酸鹼值平衡過程，內鎖的大環分子，會在車輪烷的兩個不同辨識中心間反覆遷移，如同生活中隨處可見的開關裝置，因而被稱之「分子開關」，這也是目前分子機械中最受矚目的要角。

超分子潛力無限

當今科技發展莫不以奈米尺度為趨勢，兼備反應快速、高精確性及低耗能特性的微機電系統（Micro Electro-Mechanical Systems, MEMS）更成為了核心技術，相對的IC也必須朝著超高密度化及高度微小化發展，才能使記憶容量大幅擴增。而要讓成千上萬的電子零組件，集中組裝於微小型的電子器材中，則需仰賴精密的蝕刻技術。儘管目前的光源已經從可見光、紫外光，一路進步到波長極短的X光，但由於工具本身的限制，元件由大至小的縮小化技術，仍舊面臨瓶頸。面對由大縮小的阻礙，科學家開始思考由小構築到大的可行性。很快就發現分子不但在尺度上，符合奈米規格的要求，同時具有數量眾多的優勢，透過分子機械的能量轉換，更能將源源不絕的光能、電能或化學能以機械能方式輸出，足以作為奈米技術的最佳利基。

事實上諾貝爾物理獎得主費曼（Richard Phillips Feynman）早在西元1959年就已道出分子的無窮潛力：「若能以微觀條件操控物質，必定有驚人發現。」但受限於當時儀器技術，人們對於非共價作用力的了解仍相當有限，直到近二十年，掃描式穿隧顯微鏡、磁力顯微鏡、原子力顯微鏡等各種高解析顯微鏡陸續推出，人們對於非共價作用力的知識才能順利突破，超分子化學於焉順勢展開。

超分子化學起源於六〇年代的巨環化學（macrocyclic chemistry），是一種以巨環分子當作配位基，然後與金屬離子組成之特定結構。超分子本身具有獨特的「自我進行程式」能力，可經由自我組合、自我組織架構與複製等步驟，依序自主發展而成。特別之處在於，結合的過程，並不會破壞各組成分子原有的特性，所以形成的超分子能夠同時擁有不同組成分子的各項特性。

由於超分子結合的兩個分子，必須呈現主體與客體關係之特性，化學家藉此選擇適當的受體分子與受質分子，製備孔徑吻合或互為對掌性構型之化合物，透過靜電力、氫鍵、π-π作用力、金屬對配位基的結合等分子間作用力，來控制分子基團的形成，而獲得特定結構和功能的超分子。雷恩教授對也超分子化學的未來發展寄予厚望，他認為除了可用來構造更為復雜的分子外，新的物質形態也可能因與世人見面。

分子機械 未來科技

機械是指能夠完成一項工作的系統或元件，分子機械屬於分子層次的簡單機械，它能藉由用氧化數或酸鹼值的改變，使金屬配位變動，而使分子產生馬達運轉等運動模式；若採用酸鹼滴定，指示劑還能因為酸鹼值改變，而顯示出不同的顏色，這也是分子機械應用的一大優勢。此外它還能省去繁縟的能量轉化程序，直接將化學能轉換為功，加上體積微小，所以靈敏度、活性和作用密度都會大幅提升，此外還能深入極微細之處，所以儘管發展只有短短數十年，卻已在化學領域中快速崛起。

環顧科學發展脈絡，不難發現並未離開費曼教授多年前的預言。雖然分子機械還有許多待解決的問題：像是穩定性不足，有些分子歷經短暫操作即會分解，有些則是會因操作產生的熱量，使元件分解或脫落，但是不可否認分子層次的極微小型高容量記憶體，正是現代科技的有力推手。此外，在醫學領域，更預期分子機械能進入生物組織，修補身體內組織的缺陷或進行疾病的治療。雷恩教授也對推論化學分子若能能與信息學結合，將有更多物種等待被創造，當然這些論點都需要化學、物理學、生物學、醫學以及製程工程的專家跨領域合作，或許不久後即可獲得驗證。

（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）

本文為探索講座《漫遊分子奇境‧化學家的不思議國度》第六講特稿

責任編輯：MissZoe