[資訊] 化學家用珠珠串出富勒烯家族
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作者: PeggieSue (星期三的殺手)
標題: [轉錄]化學家用珠珠串出富勒烯家族
時間: Thu Jun 10 21:44:22 2010
【科學工藝】化學家用珠珠串出富勒烯(Fullerene)家族
從前從前,有一個化學家經過手工材料行林立的延平北路,看見了櫥窗裡有些
閃閃發光的奇妙東西。「我忽然發現,咦!這些東西怎麼長得好像…芙類分子
?」這就是台大化學系金必耀教授與串珠的相遇過程。
CASE PRESS‧http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=3550
對化學不太熟悉的讀者們或許不知道「芙類分子」是什麼,不過想必在報章雜誌或電
視上聽過富勒烯。1985 年,英國化學家克羅托做出了60個碳組成的碳原子簇結構分子碳
六十(C60),並因此獲頒1996年度諾貝爾化學獎。碳六十是俗稱的富勒烯的一種型態,
此外同個家族還有碳七十、碳八十、碳168等等。
儘管富勒烯(芙類分子)是這麼晚才被人類發現的碳分子型態,不像鑽石跟石墨那麼
早為人所知,但它卻具有驚人的潛力。目前已知芙類分子至少具有超導體的性質,此外最
近日本科學家成功地在碳六十的薄膜上壓印千倍之高密度資訊記錄。醫學界正在研究它們
是否可以美白跟抗癌,許多美容保養品中已經迫不及待的加入了富勒烯。不過你曾想過你
可以在自己家裡用簡單的材料做出它們的分子模型嗎?
數學串珠登上國際版面
台大化學系金必耀教授的串珠作品最近登上了美國《Make》雜誌旗下的「Math
Monday」,被以「數學串珠」(Mathematical beading)稱之。金必耀教授表示,芙類分
子是一種由sp2混成鍵結所連結而成之碳分子,其中最富盛名的是碳六十 ,這個分子有時
又稱為巴基球(Buckyball),因為它的結構與歐式足球非常類似,具有截角二十面體 (
truncated icosahedron)之構造。過去全球似乎都沒有人用串珠的方式來展現芙類分子
的結構特色,他可能是第一個想到兩者關連的人。
「串珠的造型當然不是我發明的,過去很多人都已經這麼串了,只是他們可能不知道
自己串的東西有這種意義。」金必耀教授說,「有天我經過延平北路,那裡有很多手工材
料行,櫥窗裡也有展示一些編織好的作品,我忽然發現,咦!這些東西怎麼長得好像…芙
類分子?」
於是他買了些珠珠回家試著自己動手開始串,「我太太先教我怎麼把珠子綁在一起,
接著我就自己摸索。」金必耀教授的太太也是化學家,不過她對串珠沒有太大的興趣。「
這個看起來是許多五邊形組成的圓球,是碳六十;至於大家常做的『鳳梨』,就是碳七十
。此外還可以做出很多目前理論上還無法合成的碳分子結構。」
珠珠代表碳碳鍵
為何說這是數學串珠呢?因為金必耀教授的串珠並非任意製作,使用的珠珠數量必須
符合實際的碳碳鍵數量。「一般人可能會覺得,喔!珠子圓圓的,所以它們是代表碳原子
,其實不是。」金教授強調說,「每一顆珠子代表的是一個化學鍵,所以這顆碳六十不是
由六十顆珠珠構成,而是九十顆。而原子在哪裡呢?原子是珠珠與珠珠之間的縫隙。」
由於直觀上人們會以為珠珠代表原子,因此金必耀教授也試著用長形(米粒形)的串
珠來製作芙類分子,但結果差強人意。「長形串珠做出來的模型比較鬆散易變形,沒有圓
形珠珠那樣堅固。」他說,這可能價殼層電子排斥(Valence Shell Electron Pair
Repulsion, VSEPR)有關,球形珠珠之間的抵抗跟實際分子內的力場比較近似。
此外,珠珠的色彩也有其代表意義。不同色澤的珠子表示不同性質的碳碳鍵,因此在
製作時都需要謹慎考慮。串珠的編織本身可以是個複雜的數學問題,在計算線長時涉及漢
米頓鍊(Hamiltonian chains)的問題;而製作環形芙類分子時則需考慮尤拉特性(
Euler–Poincaré characteristic)。
儘管芙類分子串珠含有這麼深遠的科學意義,但我們還是可以用簡單的心情看待它:
它們簡潔、和諧而且漂亮。不管串珠代表的是甜甜圈、鳳梨、足球還是芙類分子,它們背
後藏著一個簡潔但有秩序的微觀世界。
附錄◎珠珠照片集
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http://case.ntu.edu.tw/blog/ ‧CASE PRESS 你今天有什麼新發現?
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※ 編輯: PeggieSue 來自: 114.43.127.133 (06/10 21:45)
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