能像原子組成分子般自我組裝的「膠體」

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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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？

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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.

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。

「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。

「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

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。

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）。

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。

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）。

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。

原始研究：

• Jonathan J. Danon et al., Braiding a molecular knot with eight crossings, Science  13 Jan 2017: Vol. 355, Issue 6321, pp. 159-162. DOI: 10.1126/science.aal1619

參考資料：

• ResearchGate 對通訊作者的訪問：Maarten Rikken, This tiny knot is the tightest ever tied, ResearchGate, 12th January 2017
• Scientists tie the tightest knot ever achieved, ScienceDaily
• Tightest molecular knot could lead to better, stronger materials, ZME Science
• Scientists Have Twisted Molecules Into The Tightest Knot Ever, NPR news
• 作者實驗室的網站

※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。