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化學家的繩結挑戰!合成出最緊的分子結

活躍星系核_96
・2017/02/08 ・2551字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

文/林宇軒

分子結的合成,可以說是獲得 2016 諾貝爾化學獎分子機械合成領域的濫觴,不過至今二十八年間,化學家總共只合成出三種分子結。曼徹斯特大學化學系教授大衛·雷伊(David Leigh)團隊,在今(2017)年一月於《科學》(Science)期刊上,發表目前為止交錯次數最多、最緊的分子結,可進一步研究其結構強弱,未來有機會開發出更堅韌或更柔軟的絲線。

為什麼化學家要打「分子結」?

編織與繩結技術在人類歷史上,一直都扮演著很重要的角色,知曉如何操作這些技術有助於製作出堅韌的船纜、拔河繩,或是保暖衣物。而隨著科技的進展,科學家們也不斷研究如何製作出更強韌、更柔軟的絲線,以滿足現代各式各樣的需求。

若能在分子尺度強化纖維,例如將分子互相纏繞或打結,必然會是非常有力的策略。事實上,分子尺度的結(molecular knot)在自然界中就找得到,像是在生物體內,可發現一些由 DNA 形成的分子結(例如原核生物環狀 DNA 複製後,形成的結),或是在某些蛋白質的結構中也能發現其蹤跡。

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至今最緊、最複雜!交叉八次的分子結

化學家因此利用化學合成的知識與技術,嘗試人工合成分子結。第一個成功的便是最簡單的三葉結(trefoil knot),這是由 2016 諾貝爾化學獎得主索瓦(Sauvage)所帶領的團隊,於 1989 年合成出來的(延伸閱讀:2016諾貝爾化學獎)。不過,在拓樸學上,目前已知無法再被分解的基本結(prime knot)有六十億種,然而化學家從合成三葉結至今二十八年了,卻只合成出三葉結、八字結(eight-figure knot)、五葉結(pentafoil knot)。

目前已經成功合成的三種分子結,由左而右為:三葉結、八字結和五葉結。圖/取自 Science 期刊研究介紹影片
目前已經成功合成的三種分子結,由左而右為:三葉結、八字結和五葉結。圖/取自 Science 期刊研究介紹影片

曼徹斯特大學化學學院大衛·雷伊(David Leigh)教授所帶領的團隊,於今(2017)年一月在《科學》(Science)期刊上發表分子結合成的新進展,他們成功利用化學合成的方式,將四條分子鍊互相交錯,打出了一個在拓樸學上稱為 819 的分子結(如下圖),也就是繩子交錯八次的第十九號基本結。該結總共用了 192 個原子,形成了八個交叉的分子結,但整條分子鏈的長度僅有20奈米,是目前化學家所能合成的最複雜、也最緊的一種。

819 分子結的示意圖。
819 分子結的示意圖。

利用自組裝方法合成分子結

這麼微小的分子結當然很難用一般的方法繫出來,因此在合成方法的設計上,需要想辦法讓分子鏈能自行聚集、自己打結。

一般而言,如果化學家要將兩個分子拉近距離或是連接起來,要讓連接處的原子共享電子,也就是要讓兩個分子形成穩定的共價鍵,使彼此無法分離。不過分子無法控制自己的方向,而是隨意碰撞,使得只要遇到另一個分子上能分享電子的原子,就會發生反應,有機會產生錯誤構型、但相當穩定不會消失的分子,造成反應效率低落。

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化學家為了要有效合成分子結,又不希望有太多不必要的副產物,因此改變策略,利用吸引力較弱的分子間作用力,例如凡德瓦力或氫鍵,來連接兩分子。好處是,因為這些作用力比共價鍵弱,即使在碰撞過程中,反應出一個不希望出現的產物時,錯誤構型的分子仍有機會斷開連結,變回原本的兩個分子。利用這樣的特性,設計出來的分子能夠在碰撞的過程中,不斷吸引、折疊,或是連接起來,等於是讓分子自動去找最穩定的結構,這種方法稱為「自組裝(self-assembly)」。

這樣的方法廣泛的應用於獲得 2016 諾貝爾化學獎的分子機械領域中,當然,也用於合成分子結。雷伊教授的團隊使用於合成分子結的基本單位(building block)是一條分子鏈,他們利用金屬離子吸引分子鏈中帶有孤對電子的氮,把分子鏈都吸引在一起,再啟動第二步反應連結四條分子鏈,最後移除所有的離子,便完成分子結的合成(如下圖)。

改自David Leigh 實驗室網站的實驗示意圖。
改自David Leigh 實驗室網站的實驗示意圖。

事實上,雷伊教授的團隊在 2012 年時,便以完全相同的方法合成出五個交錯的星狀分子結(發表於《自然》(Nature)期刊,相關介紹點此)。與此篇文獻不同之處在於,他們稍微修改分子鏈末端的結構以及反應物的比例,產物即變成 819 分子結。

  • 819 分子結的 X 光晶體結構圖,有八個交錯處,總共有 192 個原子,包含四個亞鐵離子(Fe2+,紫色)、位於正中心的氯離子(Cl,綠色)以及形成分子主要骨架的碳(銀灰色)、氧(紅色)、氮(藍色)。結構中淺藍色長鏈狀分子為形成一個分子結的基礎單位,科學家利用自組裝(self-assembly)的方式將四長鏈組成分子結的結構,再將長鏈分子末端互相接合,即完成合成反應。

分子結的未來

雷伊教授在接受 RearchGate 的訪問中提到:「下一步的研究方向是將分子打成結的技術套用到紡織技術上,例如去研究在一條分子長鏈打了個結後,是否會影響這條分子鏈的強度?」化學家也可以利用新的合成方法試著做出其他種分子結,並研究它們結構上的結弱,以及打結如何影響一條分子長鏈的性質。

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就像當年由杜邦公司研發的 Kevlar 合成纖維,廣泛應用於許多以強韌性為重的物品,如軍用頭盔或防彈背心等;或是像極具發展潛力的強韌蜘蛛絲,科學家至今仍在研究是否能利用其強韌的特性,製作出更強的絲線,未來,或許有機會利用分子結的技術,開發出新式材料,製作出超柔韌聚合物絲線,使得紡織技術能有重大大進展。

 

原始研究:

參考資料:

※感謝臺灣大學化學研究所詹益慈老師實驗室程凱煜同學於原理部分提供的協助。

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 ASM 委託,泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技,我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎?在半導體的世界,我們做到了!

如果將半導體製程比喻為蓋房子,「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊,透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路,再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體,最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片,我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下,塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此,半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶,一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機,來刻出更微小的電路。但別忘記,要做出這些複雜的設計,你都要先有好的基底,也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

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現在,這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位,直徑約0.1奈米,等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度,而且還要長得非常均勻的薄膜,例如說3奈米就必須是3奈米,不能多也不能少?

這唯一的方法就是原子層沉積技術(ALD,Atomic Layer Deposition)。

蓋房子的第一步是什麼?沒錯,就是畫設計圖。只不過,在半導體的世界裡,我們不需要大興土木,就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上,形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先,工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層,進行第一次沉積,放上我們想要的材料。接著,為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案,會再塗上光阻劑,並且透過「曝光」,讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後,就會換個材料,重複沉積、曝光、蝕刻的流程,這就像蓋房子一樣,由下而上,蓋出每個樓層,最後建成摩天大樓。

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薄膜沉積是關鍵第一步,基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎?不只是堆砌磚塊有很多種方式,薄膜沉積也有多樣化的選擇!在「薄膜製程」中,材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類,物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料,特別適合使用化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition)。CVD 的過程也不難,氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」,會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和,便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應,逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢?那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶(Epitaxy)技術!磊晶的過程就像是在為房子打「地基」,只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶,我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層,並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊,這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術,但隨著摩爾定律的推進,發展 3D、複雜結構的電晶體構造,薄膜也開始需要順著結構彎曲,並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

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並不是說 CVD 不能用,實際上,不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術,在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是,隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈,電晶體的設計也開始如下圖演變。

圖/Shutterstock

看出來差別了嗎?沒錯,就是構造越變越複雜!這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說,如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料,就會出現像是清洗杯子底部時,有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量,雖然對杯子來說沒事,但對半導體來說,那些最靠近表層的地方,就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

材料學家的思路是,要找到一種方法,讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長,這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD,原子層沉積,顧名思義,以原子層為單位進行沉積。其實,ALD 就是 CVD 的改良版,最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」,讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度,並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段,我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步,要確保前驅物只會與基板產生反應,而不會不斷疊加,這樣,形成的薄膜,就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止,這就稱為自我侷限現象。此時,我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段,我們再注入含有 B 成分的化學氣體,與早已附著在基材上的 A 成分反應,合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應,將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面,每次沉積一個原子層的薄膜,我們就能實現極為精準的表面控制。

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎?這個隱形冠軍就是 ASM!ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商,自 1968 年,Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來,ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年,ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率,也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

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ASM 一直持續在快速成長,現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心,營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場,目前已在台灣深耕 18 年,於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室,並且在 2023 年於南科設立培訓中心,高雄辦公室也將於今年年底開幕!

當然,ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

最後,ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇,就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢,絕對不能錯過!

圖片來源/ASM

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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非牛頓流體的火蟻群
小斑
・2013/12/24 ・606字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

科學家長期關心火蟻這種會螫傷人、使人中毒,令人頭痛的入侵外來種,多半是在討論如何防止有劇毒的火蟻擴散,或是探討為什麼火蟻的螫傷會這麼痛。

看起來似乎沒有物理學家的事。不過,喬治亞理工學院的物理學家Zhongyang Liu和David Hu,對於一大群火蟻可以視情況而表現得像流體或是固體的現象很有興趣,是第一次在生物體上看到這種群體行為的二象性。

在11月美國物理學會的一場會議上,他們展示了上面的影片中的火蟻。一團火蟻可以像是糖漿一樣從管子中流出來,或是像一顆球一樣被壓下去還會彈回來。他們使用物理實驗用的流變儀精確測量蟻群作為流體的黏度和作為固體在不同壓力下的彈性,也同時發現在不同的狀態下,螞蟻的行為模式不同。

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蟻群若需要流動時,螞蟻會不斷移動,調整自己待在群體內,就像是很黏稠的液體。

當蟻群要保持形狀時,螞蟻就會緊緊地互相抱住,整個蟻群就會表現得像是橡膠一樣有彈性的固體。甚至形成「救生艇」躲避洪水

胡博士表示,這個研究結果可能可以應用於製造出自組裝機器人和可自我修補的材料,例如:用可以自動修補裂縫的材料建一座橋。畢竟螞蟻可是維持這種結構的箇中翹楚,當牠們互相搭在對方身上形成一座橋並通過時,牠們可是很快地補上結構上的任何缺口。

編譯自紐約時報 12月17日 Science Take

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該研究研討會摘要

小斑
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PanSci實習編輯。 一顆在各個學科間漂流的腦袋~

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化學家的繩結挑戰!合成出最緊的分子結
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文/林宇軒

分子結的合成,可以說是獲得 2016 諾貝爾化學獎分子機械合成領域的濫觴,不過至今二十八年間,化學家總共只合成出三種分子結。曼徹斯特大學化學系教授大衛·雷伊(David Leigh)團隊,在今(2017)年一月於《科學》(Science)期刊上,發表目前為止交錯次數最多、最緊的分子結,可進一步研究其結構強弱,未來有機會開發出更堅韌或更柔軟的絲線。

為什麼化學家要打「分子結」?

編織與繩結技術在人類歷史上,一直都扮演著很重要的角色,知曉如何操作這些技術有助於製作出堅韌的船纜、拔河繩,或是保暖衣物。而隨著科技的進展,科學家們也不斷研究如何製作出更強韌、更柔軟的絲線,以滿足現代各式各樣的需求。

若能在分子尺度強化纖維,例如將分子互相纏繞或打結,必然會是非常有力的策略。事實上,分子尺度的結(molecular knot)在自然界中就找得到,像是在生物體內,可發現一些由 DNA 形成的分子結(例如原核生物環狀 DNA 複製後,形成的結),或是在某些蛋白質的結構中也能發現其蹤跡。

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至今最緊、最複雜!交叉八次的分子結

化學家因此利用化學合成的知識與技術,嘗試人工合成分子結。第一個成功的便是最簡單的三葉結(trefoil knot),這是由 2016 諾貝爾化學獎得主索瓦(Sauvage)所帶領的團隊,於 1989 年合成出來的(延伸閱讀:2016諾貝爾化學獎)。不過,在拓樸學上,目前已知無法再被分解的基本結(prime knot)有六十億種,然而化學家從合成三葉結至今二十八年了,卻只合成出三葉結、八字結(eight-figure knot)、五葉結(pentafoil knot)。

目前已經成功合成的三種分子結,由左而右為:三葉結、八字結和五葉結。圖/取自 Science 期刊研究介紹影片
目前已經成功合成的三種分子結,由左而右為:三葉結、八字結和五葉結。圖/取自 Science 期刊研究介紹影片

曼徹斯特大學化學學院大衛·雷伊(David Leigh)教授所帶領的團隊,於今(2017)年一月在《科學》(Science)期刊上發表分子結合成的新進展,他們成功利用化學合成的方式,將四條分子鍊互相交錯,打出了一個在拓樸學上稱為 819 的分子結(如下圖),也就是繩子交錯八次的第十九號基本結。該結總共用了 192 個原子,形成了八個交叉的分子結,但整條分子鏈的長度僅有20奈米,是目前化學家所能合成的最複雜、也最緊的一種。

819 分子結的示意圖。
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利用自組裝方法合成分子結

這麼微小的分子結當然很難用一般的方法繫出來,因此在合成方法的設計上,需要想辦法讓分子鏈能自行聚集、自己打結。

一般而言,如果化學家要將兩個分子拉近距離或是連接起來,要讓連接處的原子共享電子,也就是要讓兩個分子形成穩定的共價鍵,使彼此無法分離。不過分子無法控制自己的方向,而是隨意碰撞,使得只要遇到另一個分子上能分享電子的原子,就會發生反應,有機會產生錯誤構型、但相當穩定不會消失的分子,造成反應效率低落。

化學家為了要有效合成分子結,又不希望有太多不必要的副產物,因此改變策略,利用吸引力較弱的分子間作用力,例如凡德瓦力或氫鍵,來連接兩分子。好處是,因為這些作用力比共價鍵弱,即使在碰撞過程中,反應出一個不希望出現的產物時,錯誤構型的分子仍有機會斷開連結,變回原本的兩個分子。利用這樣的特性,設計出來的分子能夠在碰撞的過程中,不斷吸引、折疊,或是連接起來,等於是讓分子自動去找最穩定的結構,這種方法稱為「自組裝(self-assembly)」。

這樣的方法廣泛的應用於獲得 2016 諾貝爾化學獎的分子機械領域中,當然,也用於合成分子結。雷伊教授的團隊使用於合成分子結的基本單位(building block)是一條分子鏈,他們利用金屬離子吸引分子鏈中帶有孤對電子的氮,把分子鏈都吸引在一起,再啟動第二步反應連結四條分子鏈,最後移除所有的離子,便完成分子結的合成(如下圖)。

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改自David Leigh 實驗室網站的實驗示意圖。
改自David Leigh 實驗室網站的實驗示意圖。

事實上,雷伊教授的團隊在 2012 年時,便以完全相同的方法合成出五個交錯的星狀分子結(發表於《自然》(Nature)期刊,相關介紹點此)。與此篇文獻不同之處在於,他們稍微修改分子鏈末端的結構以及反應物的比例,產物即變成 819 分子結。

  • 819 分子結的 X 光晶體結構圖,有八個交錯處,總共有 192 個原子,包含四個亞鐵離子(Fe2+,紫色)、位於正中心的氯離子(Cl,綠色)以及形成分子主要骨架的碳(銀灰色)、氧(紅色)、氮(藍色)。結構中淺藍色長鏈狀分子為形成一個分子結的基礎單位,科學家利用自組裝(self-assembly)的方式將四長鏈組成分子結的結構,再將長鏈分子末端互相接合,即完成合成反應。

分子結的未來

雷伊教授在接受 RearchGate 的訪問中提到:「下一步的研究方向是將分子打成結的技術套用到紡織技術上,例如去研究在一條分子長鏈打了個結後,是否會影響這條分子鏈的強度?」化學家也可以利用新的合成方法試著做出其他種分子結,並研究它們結構上的結弱,以及打結如何影響一條分子長鏈的性質。

就像當年由杜邦公司研發的 Kevlar 合成纖維,廣泛應用於許多以強韌性為重的物品,如軍用頭盔或防彈背心等;或是像極具發展潛力的強韌蜘蛛絲,科學家至今仍在研究是否能利用其強韌的特性,製作出更強的絲線,未來,或許有機會利用分子結的技術,開發出新式材料,製作出超柔韌聚合物絲線,使得紡織技術能有重大大進展。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia