【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

輪烷
輪烷合成方法圖解(與上圖皆來自英文維基)

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

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One thought on “【化學奇境】新造物時代 超分子新動力

  • 2010 年 12 月 22 日 at 13:46:31
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    這次的演講好有趣
    而這篇文章更精簡的敘述了
    我真的好喜歡探索講座喔!

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