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親愛的,我把分子變大了

   日期:2018-08-23     瀏覽:13    評論:0    
核心提示:科學家發展出許多方法,可以確定分子的立體形狀與其中的原子排列,並通過模型建構,將這些分子放大到我們可以看見的尺度,用以呈現分子內原子的空間排列。

左家靜 | 財團法人國家實驗研究院國家高速網路與計算中心

金必耀 | 國立臺灣大學化學系


現代化學最大的貢獻便是,認識到整個物質世界,不管是一滴水、岩石、樹木、小鳥、甚至是我們自己,都是原子與分子所組成。原子的種類只有118種,最小的氫原子不到0.03奈米,而最大的銫原子也只有0.26奈米,1奈米為十萬萬分之一公尺;分子由原子結合而成,有無限種可能的組合,從最簡單的氫分子,只含有兩個氫原子,到由三十億個鹼基對組合而成的人類基因組。但不管是什麼分子,它們都是由這些極小的118種原子以特定方式構成的。

科學家發展出許多方法,可以確定分子的立體形狀與其中的原子排列,並通過模型建構,將這些分子放大到我們可以看見的尺度,用以呈現分子內原子的空間排列。球桿模型是最常見的分子模型,其中的球表示原子,桿則代表連結原子的化學鍵。不同的原子有不同的鍵結能力,氫原子只跟另一個原子鍵結,氧原子則同時能跟兩個原子鍵結。而碳原子則有兩個情形:在有的化合物中可以跟三個形成鍵結,例如石墨;而有的情形則可以跟四個原子形成鍵結,例如鑽石。球桿模型中,用不同洞數的球來表現這些不同鍵結能力的原子,描述氫原子的球只有一個洞,描述氧原子的球則有兩個洞,描述石墨與鑽石中的碳則需要兩種不同的球,一種球含有三個洞,排列為正三角形,而另一種球則含有四個洞,排列為正四面體。下圖便是DNA的球桿分子模型。

除了球桿模型外,還有許多其他製作分子模型的方式。這裡介紹用傳統串珠工藝製作分子模型的有趣方法。若使用的是圓珠子,模型中的珠子代表著分子中的化學鍵或是特定的離子。以此做出來的串珠模型,可以更真實地表現許多分子三度空間的形狀。只要選擇適當材質與顏色的珠子,這些根據奈米分子空間結構做出來的串珠模型,就能成為形狀優美的科學藝術品。
串珠分子模型可以分為幾大類:(A)有機烷類分子;(B)富勒烯、奈米碳管、立體石墨烯;(C)沸石結構;(D)結構無機化學;(E)金屬串分子。
有機烷類分子
串珠模型可視為是一種「自由雲球模型」,圓珠代表電子對的空間分布,細線則給出圓珠的相互關係。實際分子的形狀,是由「價電子間的排斥」以及「價電子與原子核的吸引」兩種力量達成平衡的結構。使用珠子(斥力)與細線(引力),按分子的連結圖來進行串珠,串珠過程像是在進行一個類比演算,演算的結果是一個立體串珠模型,給出分子在三度空間的近似電子雲分布。
富勒烯、奈米碳管、立體石墨烯
在石墨烯的六邊形網絡上有規律地引進非六邊形,可以產生千變萬化的彎曲立體石墨烯。正高斯曲率由四邊形與五邊形模擬,常出現於有限的芙類分子;而七邊形與八邊形可用來模擬無限延伸、含有許多連通孔洞的三度週期立體石墨烯。
沸石結構與晶籠水合物
數學串珠也可以用來建構許多四配位無機固體的立體模型,例如石化工業上極其重要的沸石結構、以及地球上最重要的能量來源——晶籠水合物。以沸石結構為例,矽氧四面體通過橋氧連結為各種多面體籠子,然後這些籠子進而堆疊成繽紛多彩、各種樣式的三度空間週期結構。
結構無機化學
許多無機化學分子與固體可以視為配位多面體的空間堆疊,長形的管珠特別適合用來建構此類結構,它們類似工程與建築上的空間桁架,我們可以說這些模型像是由奈米世界所啟發的空間桁架雕塑。
金屬串分子
金屬串分子是一種多金屬配位化合物,由線型排列的過渡金屬與四條螺旋環繞在其側的有機分子所組成。很重要的是,金屬串分子是一種最細小的分子電線。通電後,電流可在中間的金屬流通,而周遭的有機分子為絕緣體,可以有效地防止漏電。
奈米世界還有很多可能的優美結構,等待著讀者去用數學串珠,將它們的立體雕塑建構出來。詳細的數學串珠技巧,以及各種我們曾經嘗試過的奈米結構,可以參考過去我們發表的工作(詳見資料來源)。
(本文由科技部補助「科普資源整合運用與推廣整合型計畫」執行團隊執行編輯)
審校:羅書韻

 
 
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