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能像原子組成分子般自我組裝的「膠體」

only-perception
・2012/11/16 ・1131字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

科學家創造出一種新粒子,大小為人類頭髮直徑的百分之一,能像原子組成分子般,自發性的將它們自己組裝成結構物(structures)。這些新粒子以先前不可能製造出來的樣式(patterns)聚在一起,或「自組裝」,形成結構物,且可望用來製造先進光學材料與陶瓷材料。

在最新一期 Nature 期刊中描述的這種方法,由紐約大學(NYU)、哈佛工程與應用科學院、哈佛物理系以及 Dow Chemical Company 的化學家、化學工程師以及物理學家所組成的一團隊開發而成。

此方法聚焦在強化膠體(colloids,懸浮在液態介質中的微小粒子)的結構(architecture)。膠狀分散體(Colloidal dispersions)由油漆、牛奶、吉利丁、玻璃與瓷器這樣的日常物品組成,但它們創造新材料的潛力大部分都仍未開發。

先前,科學家已從膠體成功的建立簡陋的結構物。但利用膠體來設計並組裝出複雜的三維結構物的能力,那對於先進光學材料的設計至關緊要,卻仍處處受限。部份是因為膠體缺乏方向性鍵結(directional bonds),那對於控制粒子自我組裝以及強化複雜度同時維持這些創作在構造上的完整性(integrity)來說是必要的。這樣的組裝物(assemblies)如同自然世界的基石 — 例如原子與分子 — 不過它們在膠體的領域中很罕見。

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「此方法打算辦到的是:利用原子的自然特性並將之應用到膠體的世界,」研究共同作者之一,NYU 的化學教授 Marcus Weck 表示。

「當化學家要合成分子與結晶體時,他們有一整張週期表的原子可以選擇,」哈佛化學工程與物理副教授,共同作者 Vinothan Manoharan 提到,「我們想要開發出一套類似的『建構組(construction set)』以製造尺度更大的分子與結晶體。」

在開發具有這類特性的膠體時,研究者設計出化學「修補物(patches)」,那能形成方向性鍵結,因而允許粒子間只有少數連結的三維「晶格(lattices)」組裝 — 對許多先進材料來說,是一種很重要的設計元素。沒有方向性鍵結,這樣的結構物會不穩定。

訣竅是,在這些修補物上建立鍵結能力。科學家們利用單股的 DNA 辦到這件事。NYU 以及其他地方的科學家先前就已利用它來組織小型粒子。在 Nature 上所敘述的方法中,這些 DNA 股權充「黏性末端(sticky ends)」,使粒子修補物能夠黏附。

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「意思是我們能使粒子只能附著在修補物上,而且我們能將之編程( program),使特定種類的粒子能附著在這些修補物上,」共同作者以及 NYU 物理學教授 David Pine 表示。「這賦予我們極大的彈性來設計三維結構物。」

研究者們補充,修補物之間 DNA 交互作用的專一性意味著這些膠體具有不同的特性,例如大小、顏色、化學功能性或導電性,能導致新材料的製造。這些可能性包括 3D 電氣連線網路(electrically wired networks)或光子晶體以強化一系列消費性產品的光學顯示器並改善電腦晶片的速度。

資料來源:Researchers create new microparticles that self-assemble like atoms into molecules. Phys.org [October 31, 2012]

轉載自 only perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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豆漿加醋為什麼會結塊?化學解密鹹豆漿之謎
活躍星系核_96
・2019/08/30 ・2378字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

S 編按:這篇文章源於泛科學 IG 的一則早餐限時動態(對我們有 IG,還沒有追蹤的各位可以按下追蹤了)。

平凡的一天早晨,來點熟悉的鹹豆漿最對味,但,問題來了:到底為什麼豆漿加了醋後,就會產生塊狀物,變成好吃(喝)的鹹豆漿呢?在與泛糰們互動的過程中,我們發現資料中出現了不同的說法,因此,便有位泛糰認真地開始研究這個問題,並將他的理解與我們分享。

  • 文/白尾

豆漿豆漿,你為何會變得不一樣?

關於「鹹豆漿加醋為什麼會產生塊狀物?」這個問題,在搜尋眾多的網路資料後,會發現主要有兩派說法:

  1. 因為加入了電解質,讓豆漿中膠體粒子的正負電荷相等,呈電中性,進而產生凝聚。
  2. 因為加入酸性物質,讓豆漿中的蛋白質變性,進而產生凝聚。

以上兩種說法,看似都說得通,但難免讓人想知道:何者才是正確的原因呢?

豆漿、牛奶都是我們日常生活中常見的膠體。圖/pxhere

在深入討論前,我們首先要了解什麼是「膠體」。

膠體 (Colloid) 是一種由兩種不同物質混合而成的均勻混合物。形成膠體時,並不會像鹽溶於水一樣,發生溶解作用。常見的膠體有:霧、果凍、牛奶,當然還有今天的主角──豆漿。

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而說到鹹豆漿凝聚的過程,我們要先談談膠體的其中一個特性:帶電。

膠體之所以可以均勻混合,除了微小粒子間不斷碰撞的布朗運動之外,另一個原因就是帶電。膠體粒子外有所謂電雙層 (electrical double-layer) 的結構,藉由電性相斥,讓其中的膠體粒子不會互相結合凝聚。而豆漿中的膠體粒子主要是蛋白質,帶負電荷。

電雙層的機制能讓膠體溶液中的膠體粒子不會互相結合凝聚。圖/wikipedia

豆皮豆腐鹹豆漿,凝聚方法不一樣

那麼,豆漿裡的蛋白質到底要怎樣才會凝聚呢?主要有三個方法:加熱加鹽類改變 pH值。剛好,這三個方法可以依序對應到我們常吃到的三種豆類食品:豆皮、豆腐、鹹豆漿。

加熱時,蛋白質之間會產生雙硫鍵,互相連結,而在冷卻的過程中,氫鍵則扮演了強化結構的角色。

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如果大家想自己在家做豆皮,只要加熱豆漿,等表面形成薄膜之後小心撈出晾乾即可。不過,有一點要注意的是:製作豆皮要用小火,不能讓豆漿沸騰,否則就無法在表面形成完整的薄膜。

加鹽類與酸可以直接讓蛋白質凝聚,而在製作豆腐及鹹豆漿之前,通常也會先透過加熱讓蛋白質變性,這個步驟可以讓蛋白質的疏水基暴露出來,使其更容易凝聚。

加熱後的豆漿,若加入鹽滷(主要成分為氯化鎂)或石膏(主要成分為硫酸鈣)等鹽類,再經過一段時間的排水、成型,就完成豆腐了。
若加入的是醋及其他佐料,經過攪拌即成鹹豆漿。

我們可從下圖看出,加酸及加鹽類分別是兩條不同的路徑:

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GDL 即葡萄糖酸內酯,溶於水中呈酸性,可用來製作豆花、嫩豆腐。
圖片來源:Elise Ringgenberg (2011)

加鹽 vs. 加酸,凝聚機制有什麼不一樣?

在上一段我們將「加鹽類」和「加酸」分成了兩個類別,但它們到底有什麼差別呢?接下來,就要仔細說明一下兩者間的不同。

加鹽類:

豆漿加入鹽類後,鹽類中帶正電的鈣、鎂離子會中和蛋白質膠體粒子表面所帶的負電,讓膠體粒子呈電中性。此時,膠體粒子失去了電荷的排斥作用,互相碰撞後便會凝聚在一起。

當單一離子帶有的電荷越多,要達到凝聚所需加入的量就會越少。此外,相同價數的離子也會有不同的效果,例如:鈣的凝聚效果便比鎂來得好。

豆漿中的蛋白質膠體粒子帶負電荷,主要由鹽類中的正離子來中和,而鹽類中的負離子種類,也會影響凝聚所需的量,如氯鹽的凝聚效果便比硫酸鹽好。

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90 年的大學聯考題曾有一題:「加食鹽會不會讓豆漿凝聚?」

當時大考中心給的答案是「會」,不過,由於鈉離子跟鈣相比,需要非常多的量才能達到凝聚的效果──在 As2S3 膠體(此膠體粒子帶負電)中加入氯化鈉(NaCl,食鹽)及氯化鈣(CaCl2)測定凝聚產生需要的最小濃度,結果分別為 51 及 0.65 mmol/L,由此可見,鹹豆漿裡面的鈉不是主要讓蛋白質凝聚的主要因素 (不然會鹹死) 。

加酸:

在了解加入酸會發生什麼事之前,需要了解一個詞:等電點。

等電點指的是一個兩性離子達到電中性時的 pH值。兩性離子(兩性分子的離子態)的特點是同時具有正負電荷,大部分的胺基酸便是兩性分子的一種。

豆漿裡面的兩種主要蛋白 Glycinin、beta-Conglycinin,等電點約在 5 左右(變性的蛋白質其等電點會稍微改變,但變化不大)。一旦加入酸,便會讓此二蛋白質膠體粒子趨近於等電點;越接近等電點,膠體粒子的淨電荷數越少,意味著膠體粒子間的斥力越小,便越容易凝聚。

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綜合所述,可以得知:加鹽類跟改變 pH值,其實都是在改變膠體粒子的淨電荷數,原理上並沒有太多的區別。

鹹豆漿的謎團就讓我們一同解開。圖/wikimedia

以上講了那麼多,鹹豆漿之謎的解答到底是什麼呢?或許,我們可以整理出一個比較精確的敘述——

經過加熱的變性蛋白質膠體粒子,加醋之後,降低了表面的淨電荷數量,讓膠體粒子在接觸時容易互相凝聚;而因蛋白質變性所露出的疏水基,讓凝聚作用能進行得更加順利。

參考資料:

  1. 施建輝(2014)。膠體溶液的帶電性與凝聚。台灣化學教育
  2. Ringgenberg, E. (2011). The Physico-Chemical Characterization of Soymilk Particles and Gelation Properties of Acid-Induced Soymilk Gels, as a Function of Soymilk Protein Concentration (Doctoral dissertation).
  3. Li Tay, S., Yao Tan, H., & Perera, C. (2006). The coagulating effects of cations and anions on soy protein. International journal of food properties, 9(2), 317-323.
  4. Ui, N. (1973). Conformational studies on proteins by isoelectric focusing. Annals of the New York Academy of Sciences, 209(1), 198-209.
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活躍星系核_96
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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。

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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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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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