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元素週期表居然可以變 3D?讓俄羅斯國際工程院院長說給你聽!

Curious曉白_96
・2020/02/18 ・3577字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 545 ・八年級
  • 採訪/雷雅淇、簡茹因
  • 文/簡茹因

氫鋰鈉鉀銣銫鍅,鈹鎂鈣鍶鋇鐳……國高中課本上出現過的元素週期表,是學生們曾倒背如流的東西。這份表最早是由俄羅斯科學家門德列夫 (Mendeleev) 於 1869 年所發表,依據質子、中子、電子作為排序,讓不同的原子能夠「對號入座」,形成排列整齊的表格。往後的數百年,科學家們也陸續發現新元素,不斷地填滿元素週期表最初留下的空格。

2017 年末,聯合國大會更宣佈 2019 年為「國際化學元素週期表年」,彰顯俄羅斯科學家門德列夫對於化學元素特性分類的偉大貢獻。

早期門德列夫所開創的化學元素週期表,開啟了後續科學家發掘新元素的時代。圖/wikipedia

但隨著新元素的發現,週期表開始出現一些爭議,促使科學家們陸續進行改良,接下來,就一起來聽俄羅斯國際工程院院長古塞夫 (Boris V. Gusev) 院長娓娓道來什麼是「三維元素週期表」吧!

穿梭於工程材料界、科學界及教育界的辣個男人

古塞夫 院長曾經從新聞報導中看見水壩潰堤、爆裂導致百人喪命的駭人景象,從那時起,他便決心投入建築材料界,希望用更穩固的建材打造安全無虞,又能帶來便利的建築。熟知建築材料學及建築材料技術的他,率先研究礦類強度及永久性問題,其成果在混凝土構成、防腐隔熱材料、經濟無塵室方面廣為人知。

古塞夫院長身兼俄羅斯工程院(前蘇聯工程院)及國際工程院的兩院院長。在早期,前蘇聯工程院曾經與多國合作研究。而古塞夫院長為了延續先前多國合作的榮景,致力於跨國合作,現在國際工程院於全球(包括台灣)有 15 個分會。

院長同時也是學校創辦人及唐獎諮詢委員,曾培育 85 名外國博士及副博士,這些人才出版了 500 多篇學術文章, 25 本專書及教科書,取得超過 100 種發明專利,實在是一位對科學界、教育界及工程界都極有貢獻的大人物啊!

古塞夫院長(圖中講者)多次來台灣演講,也持續與多國進行科技發展合作,對於科學界、教育界及工程界都有莫大貢獻。

週期表就得有週期!修但幾勒,怎麼怪怪的?

雖然門德列夫所制定的週期表看起來很完備,當時遺留的元素空位,也陸續被科學家們找到的元素所證實、補全,但歷經了數十年,科學家們仍發現週期表中有些備受爭議的問題:

1. 看不出原子序的連續性
按照列表中行與行(週期與週期)間的元素,很難看出有連續性(就像原本完整的一句話被斷成好幾個斷句一般 QQ)

2. 越變越寬的週期表
化學元素週期表中縱列為族,橫列為週期。英國科學家紐蘭茲 (John Newlands ) 於 1864 年發表的論文中表示,若按照原子量大小來排列元素,每第八個元素的性質會與第一個相似,因此每八個元素作為一個週期。

但每一個週期的長度並不一樣,例如第一行週期只有氫 (H) 及氦 (He) 兩個元素,第四、第五週期就變寬許多,以容納更多元素(也就是過渡金屬),此處一行(週期)就有 18 個元素(說好的 8 個咧~),與其他行週期的規律性不一樣。另一方面,隨著新元素的發現,週期表有越長越寬的趨勢。

3. 元素多到週期表裝不下
承續第 2 點爭議,隨著礦物開採及合成化學興起,科學家們又陸續發現稀土元素(鑭系元素 (lanthanides) 、錒系元素 (actinides)),原本他們想塞入第六週期,但第六週期已經客滿啦!於是西元 1913 年,稀土元素被週期表獨立出來,但這樣被獨立出來的元素,看起來根本就與既有規律完全斷開連結啦!(延伸閱讀:「稀土戰爭」的起點:七種元素因這個村莊而被發現!

隨著新元素的發現,化學週期表原有的秩序也開始出現爭議。圖\GIPHY

雖然隨著科技進展,越來越多元素被發現,但原本門德列夫的週期表也因後續發現的元素越填越「走精」,原本的規律都不規律了呀~

跳脫原始框架,把週期表變立體吧!

不過,宇宙是由各種元素所構成,既然我們生活在多維立體的世界,那週期表是不是也可以跳脫平面呢?

國際純化學和應用化學聯合會 (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) 便著手研究週期表的三維特性,三維元素週期表就像將教科書上的表格變成了立體書,讓它活生生地蹦出來在我們面前,不僅承續了原始週期表的原子特性,同時也開創不同元素間新型態的交互作用。

舉個比喻來說,元素週期表像是一個圓口鋁罐,就平面二維的角度來看,像是一個圓角矩形(也就是原本方方正正的週期表),但就三維立體的角度,可以發現,原來這個罐子不只有一個平面,它是由許多個平面所構成的,而平面和平面之間存在的連結,是以往二維平面呈現不出來的。

鋁罐橫看成圓角矩形,側看又是不同面,而三維元素週期表也一樣由很多平面所構成。圖/GIPHY

而經過了「立體化」的三維元素週期表,實際上的形狀是一個向外延展的錐形螺旋體。

立體的週期表使元素的排列規則更具邏輯性。

立體週期表讓元素分區住,多了還可以擴建!

此外,三維元素週期表的元素們還會分區住,分別分成 A、B、C、D、E 區,而 A 區則是這個錐形螺旋體的最頂端,它住著原子量最少,排列最單純的元素──氫和氦,B 區住八元素為一週期的房客們(從鋰到氬),C 區住過渡金屬元素(鐵、銅、鎳、釕、銠、鈀),D 區則是住鑭系元素、錒系元素。

自從發現原子電子軌域的規則,新元素所擁有的軌域數越來越多,種類也越來越多,而三維週期表未來可以隨著發現的元素增加,興建更多區域讓它們有家可歸。

讓元素分區住,依據電子軌域的大小分成 A、B、C、D、E 區。

2D 變 3D,找新住民更容易?

古塞夫院長與我們分享到,他正與其他科學家們研究、預測一種新元素(Guspepeem,命名依據 Gusev, Speranskij, Peng, Emri 所共同發現),其原子序為 138,將是第 E 區的居民。它擁有非常多電子軌域,但這個元素非常不穩定,出現約 1/1000 秒就會消失。

既然這個新元素這麼不穩定,眨眼的時間就消失了,要如何使用它呢?新元素對於未來的科技業或建築工程業的發展又會有哪些影響?

古塞夫院長認為,新元素未來不僅僅可用於建築工程,所有材料都有發展的可能性,雖然新元素的穩定性低,存在週期短,但他認為新元素最有可能發展成新型的能源,在短時間內運用它所釋放出來的能量。此外,三維元素週期表更可以用來創造及預測新元素。

新元素的發現能夠使人類在科技發展上帶來更多的便利性及商業契機,但相對地也造成環境遭受汙染及破壞,該用什麼樣的措施才能兼顧科技永續發展及環境保護呢?

古塞夫院長表示,新元素的存在時間短,較不會像塑膠因需要長時間分解而造成環境汙染。因此他認為新元素造成的汙染風險不大。並且可利用法規限制新元素的使用分級及制定相關政策。

新元素的發現可望成為新型能源。圖 \GIPHY

新元素受到質疑怎麼辦?當建議而非壓力

歷年來,科學研究的發展過程中,一項創新的理論(例如當初道耳頓的原子說、門德列夫的元素週期表)由於未有一項標準能夠證實理論的正確性,常備受科學界質疑。

雖然現今科學研究已然站在巨人的肩膀上,但面對未知,新的理論仍會受到各方質疑,如此一來,新元素的預測與發現,該如何判定其正確性?當自身的研究遭受質疑的時候,該用什麼樣的態度面對?

對此,古塞夫院長泰然回答:「從事科學研究領域時,遭受質疑是必經之路,但重點在於你如何看待質疑,對我來說,質疑並非壓力,而是建議,我樂意接受這些挑戰,並專心在解決問題上,因為有這些質疑,才能讓我在從事研究的過程中準備得更完善。」

新元素的發現,讓我們在現代能夠使用液晶電視、觸控屏幕等等眾多科技產品,使生活更便利。三維化學元素週期表整合了以往的週期表性質,讓元素們歸納得更完整,或許在不久的將來,國高中的元素週期表,不再只是一張表格,而是一個圓錐體了呢~(笑

和藹的古塞夫院長與泛科學記者們合影。

參考資料

  1. 2019 國際元素週期表年 (IYPT):追尋元素週期表的歷史軌跡
  2. 俄工程院長古塞夫讚唐獎掌握世界趨勢
  3. GUSEV Boris Vladimirovich
  4. The hidden structure of the periodic system
  5. 科學人雜誌:週期表兩三事

___________
你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

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Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》