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化學家的分子車輪:富勒烯(巴克球)──《改變世界的碳元素》

PanSci_96
・2020/12/06 ・2299字 ・閱讀時間約 4 分鐘

化學家無不有著「想要製作極小機械」的願望。說到極小的機械,那就是僅由 1 個分子作成的機械,世界上不存在比這更小的機械。「這有可能實現嗎?」雖然有些人會抱持懷疑,但在 8-3 出現的分子夾,就算不能說是「機械」,也可作為「工具」。

既然如此,何不索性用 1 個分子組成汽車?基於此概念作成的就是單分子汽車。是不是非常符合碳元素王國的國王「專車」呢?

單分子單輪車

一開始便想要用分子製作「汽車」,門檻好像有點過高,所以一步步按照單輪車、雙輪車的順序來嘗試吧。首先,以一個分子組成一個輪子的汽車,能夠做出單分子單輪車嗎?

實際上化學家已經做出來了。雖然外觀跟常見的單輪車不同,但馬戲團小丑踩踏的球,也可說是一種單輪車?如此想來,可以使用前面 2-3 所說明的球狀分子,把 C60 富勒烯當作球本身,這樣便可製出單分子單輪車。

單分子雙輪車

接著是單分子雙輪車。這個也很簡單,只要將 2 個富勒烯與直線狀的分子連接就行了,可以利用直線狀分子乙炔 HC≡CH。如此一來,也可製作出單分子雙輪車來。

用一個富勒烯製作單分子單輪車。以直線狀分子乙炔 HC≡CH 連接兩個富勒烯,可製成單分子雙輪車。圖/《改變世界的碳元素》

單分子三輪車

如下圖所示,也可製作出單分子三輪車來,但這跟現實中的三輪車有些不同,3 個「車輪(富勒烯)」鍵結成放射狀。結果,這台三輪車沒辦法向一定方向前進,僅能在固定位置旋轉。

以三鍵連接 3 個富勒烯,勉強可製成單分子三輪車。圖/《改變世界的碳元素》

化學家利用這個富勒烯單分子三輪車,置於黃金的晶體上,觀測到的動作如同預想,單分子三輪車僅在原地不停旋轉。

繼續研究下去。為什麼這台三輪車會持續在固定位置旋轉呢?如果此分子的動作僅是熱振動,或者在黃金晶體表面滑動,應該不會產生旋轉運動。如同預期,「旋轉運動」這件事證明了,作為車輪的富勒烯確實發揮車輪的功能,產生旋轉運動。這在化學上可說是意義非凡。

我們知道人們「需要讚美」,化學也是如此。在發表實驗結果的時候,重要的是最大限度解讀結果中的意義,「讚美」實驗結果。如此一來,即使實驗結果沒有震驚全世界,也是對研究人員的一種肯定。「雖然是項無趣的實驗結果,還請容許我在此向各位報告」若是這麼說,就太辜負研究人員的努力了。

單分子四輪車

右頁上圖是單分子四輪車,目前已經實際合成出來了。這個分子有一個「工」字型底盤,上面帶有4個輪子,沒有少掉任何部分,是完全的單一分子。右頁下圖是該分子置於黃金晶體上的移動軌跡。重點在於,分子僅沿著短軸的方向移動,若要改變行進方向,此時分子會自動旋轉。這表示車輪的確有轉動前進。

以三鍵連接 4 個富勒烯,可製成單分子四輪車。圖/《改變世界的碳元素》
分子會旋轉,能夠改變行進方向。改編自 Y.Shirai, A.J.Osgood, Y.Zhao, K.F.Kelly, J.M.Tour, Nano Lett, 5, 2330 (2005)。圖/《改變世界的碳元素》

自力移動的「單分子汽車」

遺憾的是,以上的「汽車」皆沒有引擎,沒辦法獨立移動,需要有外物拉引才能移動,感覺像是令人懷念的人力車。

那麼,我們是否無法製造自發性移動的分子汽車?不,自己發動、自力移動的單分子機械已經製造出來了。

2017年,舉辦了集結世界各地單分子汽車的國際賽事。會場設於法國土魯斯(Toulouse),稱為「奈米車賽」(Nano Car Race),共有 6 台車報名競賽,其中也有來自日本的分子車。

各位讀者覺得如何呢?雖然一時可能覺得難以置信,但這絕對不是在開玩笑。碳元素王國如此進步,已經進步到無論想要製作什麼樣的分子都不是問題。

然而,如下圖的簡單四角形分子環丁二烯(cyclobutadiene),至今卻沒有辦法合成。

四角形分子的環丁二烯,過去多次嘗試合成皆失敗。現在已經證明,這個分子的集合體,理論上無法合成。圖/《改變世界的碳元素》

這並不是因為化學不發達,而是根據前面的「前緣軌域理論」(參見 2-5),理論上無法做到。然而,這僅只是「分子的集合體不可能合成」,但若在周圍沒有其他東西,假設「宇宙空間中僅有這 1 個分子」的狀態,已經證實是有可能製作出來。實際上,學者已在實驗的狀態下成功合成了環丁二烯分子。能夠在理論上證明這件事,也是碳元素王國實力的一環。

──本文摘自《改變世界的碳元素》,世茂出版,2020 年 09 月 30 日

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