化學家與火車卡

上回說到科大唐本忠教授與幾位內地學者發展出一枝「高科技銀針」，可以探測有毒物質cyanide（即山埃）的存在，就像我國用（真正的）銀針試探砒霜這傳統的現代版。讓我們回顧這枝「高科技銀針」的特性：正常情況下，它會發出瑩光；但浸入含有銅的水中，便會熄滅；再浸入含有山埃的水中，便再次發光。換句話說，它同時是銅和山埃的探測器，由於山埃的毒性，方便快捷地對之進行偵測和量度在實用層面有其價值；不為一般人察覺的，是這枝「銀針」還有著更深層的化學意義--關鍵在於這枝「銀針」的物料，一種用嶄新方法合成的「膠」。

日常生活遇到的塑膠、車胎的橡膠、衣服的尼龍，化學上統稱為polymer，即「聚合物」。其實體內的蛋白質也是polymer的一種；在這篇文章，我們會集中討論人工製造的polymer。

塑膠、橡膠、尼龍，看似不同，但它們的分子（molecule）都是由許多許多基本上相同的「單元」串連而成，不同的polymer擁有不同的單元。如果polymer是一列火車，其單元便是車廂，不同的列車（運牛、運煤、載人）有著不同種類的車廂。

Polymer有趣之處，就是容許加添「附件」；為每個車廂加上燈泡，列車便會發光；要偵測污染物麼？裝上感應器便可以了；探測到污染物之後要熄燈？設計一個電子線路容許感應器控制燈泡便行。化學家就像是polymer的工匠，不斷manipulate這些「車廂」，嘗試添加各式各樣的「附件」，希望創造出擁有嶄新功能的「列車」。

在真實的化學世界，事情卻不是想像的那麼簡單。不要忘記，那些「附件」和「車廂」本身都是化學物，兩者走在一起是會互為影響的，因此沒有必然的燈泡，沒有必然的感應器，也沒有必然的控制線路。化學家憑知識和經驗估計某種「附件」配合某種「車廂」可能達致某種效果，但真實的情況只有試過才知道。再者，化學家不是用鏍絲把「附件」裝進「車廂」，而是需要設計一個chemical reaction把兩者結合在一起；能否設計出一個合適的reaction，就要看他的造化了。

概括地說，製造有功能的polymer知易行難；首先，「附件」跟「車廂」未必能夠結合；結合了的「製成品」功能也未必盡如人意，一切要看兩者的interaction。

很明顯，「高科技銀針」的出現，代表著一個新的polymer的誕生，一個「附件」跟「車廂」的嶄新組合。

左圖是「銀針」的單元的分子圖，整枝「銀針」便是由許多個這樣的單元串連而成。不要給那些符號嚇倒，還記得一點化學的讀者應該知道C是炭，H是氫，N是氮，至於那個六角形和五角形只是一些化學家經常碰到的分子群組，一般讀者只需要知道這是一「團」分子已經足夠。

附件甲不太重要，它的存在令整個結構比較穩定，例如遇熱不易分解。

車廂是一連串的炭分子，這種車廂叫polyacetylene（它是其中一種可導電的非金屬，發現此特性的科學家在2000年拿得諾貝爾化學獎）。這是polyacetylene第一次被用作「偵測器」的材料，「高科技銀針」於化學界的意義，此其一。

附件乙是車廂和附件丙之間的橋樑。讀者要記著化學物之間不是機械式的依附，連接的過程不是上鏍絲般簡單，化學家通常會首先設計一個reaction合成許多完整的單元，再用另一個reaction把單元串連成polymer。對於「高科技銀針」，「正常」的做法是嘗試造出｛車廂-甲-乙-丙｝這個單元，再把之串連。可是這做法不是永遠行得通，要視乎化學物之間的相容性，偏偏這一次就是行不通，要另想辦法。唐教授與幾位內地學者便是首先造出｛車廂-甲-乙｝（缺了丙，這是一個不完整的單元），把之串連，然後再把丙補上。利用這種較「另類」途徑製造，「高科技銀針」於化學界的意義，此其二。

在文章的開頭，說到這物料是瑩光的，由於篇幅所限，箇中的科學原理不在這裡詳述；簡單來說，瑩光是源於車廂和附件之間某些特殊的interaction，假如物料的分子結構因為某種原因被改變或扭曲，導致車廂跟附件之間的interaction有所轉變，瑩光便會熄滅。

現在讓我們看看整個故事的主角--附件丙。當「銀針」被放進含銅的水裡，水中的銅便會依附著附件丙，「銀針」的分子結構被扭曲，瑩光也因而熄滅。可是丙和銅之間的吸引力不算強，當遇到山埃，銅被山埃吸引過去，「銀針」的分子結構得以還原，於是再次發光。因此，丙可說是銅的「直接」感應器，也是山埃的「間接」感應器。可以「直接」感應山埃的「附件」十分罕見，以這種「間接」方法偵測則屬首次，「高科技銀針」於化學界的意義，此其三。

一項研究成果背後的科學意義，往往與其表面的實用價值風馬牛不相及，寫這類文章的挑戰，是怎樣在遠離實用層面的同時，仍能夠寫得具體和保持讀者的興趣。你下次搭火車的時候，希望你記得這篇文章。 =)