【科學講堂】液體中觀測繞射 有助研發新材料
我們身邊以及身體內部，都有許多在液體環境中發生的化學作用。若能觀察化學分子在這些過程中如何參與、如何互動，就能讓我們對這些化學作用有更深入的理解。遺憾的是，這個看似簡單的願望，原來一直是一項挑戰。這次就跟大家分享：研究人員近日如何運用X光技術面對這項挑戰，觀察有機分子在液體環境中的活動。
許多重要的生化作用，都涉及數以百萬計的化學分子在液體環境中「瘋狂」活動：蛋白質摺疊成不同形狀、人工製造各種材料，都是合適的例子。要精細觀察這些分子的活動和變化，往往需要達到一萬億分之一秒的精準度，而日趨成熟的超短X光脈衝技術正好可以派上用場。
不過，原子太小，一般光學方法無法有效測量原子的動態，所幸，我們可以運用「繞射」現象：當光束或電子射向物體時，其波動特性會使它們繞過物體邊緣，形成特殊圖案（如圖）；反過來說，根據這些繞射圖案，我們可以推斷原物體（包括有機化合物）的結構。把不同時間觀察到的化學結構串聯起來，就能為化學分子製作一段動態「電影」，展示它們如何參與化學作用。
這種繞射技術以往很難應用於液體環境。在氣態環境中，要觀察的分子密度較低，我們可以利用電子繞射：電子能與物質發生強烈相互作用，因此可為物質製作高對比度的影像。隨着近年X光技術的發展，現今的X光已有足夠強度，可以分析液體環境中的化學作用。
揭秘低質量分子「變形」過程
然而，要在混亂的溶劑中區分出低質量分子的活動，其實並不容易，偶氮苯（azobenzene）就是一個經典例子。偶氮苯分子含有兩個苯環，每個苯環由六個碳原子構成，而這兩個苯環由中央的兩個氮原子連接起來，所以偶氮苯看起來頗像一副手銬。在紫外線照射下，偶氮苯可以由一種形態轉換成另一種。至於這個轉換過程如何完成，研究人員此前一直沒有定論，而不同電腦計算結果更凸顯了直接觀察的重要性。
所幸，隨着新的數據分析方法出現，研究人員已能觀測偶氮苯在甲醇中的活動，顯示出在紫外線照射下，偶氮苯如何經歷複雜過程，從一種形狀轉換成另一種，從而有助解決此前這個課題上的爭論。除了偶氮苯以外，這個方法還可以應用到許多不同的化學品之上。如今X光和電子技術愈來愈成熟，能提供更強、更精細的脈衝來測量分子活動，再加上新的納米流體技術，可以把材料製造成極薄的形態，使材料測量更方便。
●杜子航 教育工作者 早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
