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【展望】再創物質文明—立足小分子,縱情大宇宙

109/02/24 瀏覽次數 1005
十九世紀新元素的發現和發明了化學里程碑的週期表,近代化學於是開枝散葉。在二十世紀的塑膠合成,開啟了人造材料的新時代。此外,二十世紀也是核能時代、新醫藥時代、分子生物時代等的開端。除了產生新材料的文明,近代化學其實是開闢了操控分子的新技術。化學家就是縱情天下四海、宇宙洪荒的分子魔法師。
 
講演綱要(審校|孫維新)
陳教授本次要講的主題:藥物化學、合成化學技術、材料與能源、奈米科技等,是在20世紀的進展。但首先談起的是化學革命的柱石,18-19世紀的化學革命。其中被譽為現代化學之父拉瓦節(Antoine Lavoisier),還有提出「原子論」顛覆世界觀的道耳吞(John Dalton)為代表性的人物,至此我們才有了現代元素和原子的概念,終於脫離了「四元素」和「鍊金術」的思維!

今年正逢元素週期表150週年紀念,陳教授也將當時門得列夫用原子量的大小及元素性質的週期性,排列出的67個元素,以及4個預測元素,對比現在共有118個元素的IUPAC元素週期表。陳教授說週期表已經是化學文明的圖騰,甚至可以解讀成上帝的宇宙藍圖,更是現代科技的指南。他提到週期表也不排除是外星智慧文明可能理解的知識!

人類很早就會用各種化學物質來治病,但是並沒有明確找出當中的有效成分。以現代「特效藥」阿斯匹靈為例,相傳希臘人希波克拉底曾以柳樹皮治病。1763年,牛津大學的愛德華‧斯通,首次從柳樹皮中發現了阿斯匹靈的有效成分:「水楊酸」。1853年化學家首次合成出乙醯水楊酸。19世紀末由拜耳公司以阿斯匹靈(Aspirin)為商標,發行醫療用途的乙醯水楊酸,至此熱銷全球。

陳教授指出人類第一個近代化學療劑:撒爾佛散(Salvarsan),用來治療歐洲當時最嚴重的疾病之一:梅毒。在沒有抗生素前,人類會用防腐劑來防止傷口發炎,德國化學家在20世紀研發出第一個合成抗菌藥:百浪多息(Prontosil),以苯磺胺解決了這個問題。這款有效對抗細菌感染的藥,在二次世界大戰常見灑在受傷士兵的傷口。現在常見的盤尼西林,是由弗萊明在插曲中發現,後來錢恩、弗洛里找出青黴菌的醫療用途跟組成,錢恩研究出分離和濃縮的辦法,這些重要里程碑的工作,也為他們贏得了諾貝爾獎!

「合成」,是在分子層次的人工化學組裝。化學合成技術是微觀建築的設計,可以製造自然物質、新物質,和新材料。陳教授接續講到過去如何合成出尿素,打破有機物和無機物無法互相轉變的迷思,英國化學家又怎麼合成出人類第一個大量生產的有機染料「苯胺紫」,讓正值工業革命的英國一炮而紅。另外也提到「格林納反應」,化學家怎麼讓小分子變成大分子,合成不同的化合物!

陳教授表示1940年後期,伍德沃德成功合成很多複雜的天然物,如奎寧、膽固醇、麥角酸,和葉綠素,他有個外號,稱為「合成王子」!這個時期也被稱為「伍德沃德時代」,因為天然物的有機合成,他獲頒諾貝爾獎。廣泛被運用在人類生活中的合成材料就是「塑膠」,不可否認二十一世紀是個「塑膠時代」。

塑膠可以替代所有的原始材料,如木頭、陶瓷,以及石頭等。第一個被合成的塑膠是熱固性(加熱不可溶解,不融化特性)的電木(bakelite),後來又出現了聚乙烯(PE)和導電塑膠等很多不同的種類。塑膠帶給人類方便,但同時產生了塑膠垃圾,海洋垃圾和醫療垃圾等是現在越來越嚴重的環境問題!

另外,「核能」也是一個化學問題,它可以有效的提供能量,但造成的汙染和儲存上的困難,更是有待解決的。陳教授最後以現在新穎且重要的化學生物學、生物醫學,這些大量地使用「奈米科技」研究基因調控因子、蛋白質的協同作用、化學選擇功能導向的藥物設計等微觀尺度的反應機制作為結尾,他也提到了基因工程與基改,環境化學、農業化學、綠色化學等化學先進技術的出現。

最後,陳教授希望大家注意到「人類世」(Anthropocene)。有科學家主張工業革命以後,地球的地質年代進入新的紀元:「人類世」,從此人類成為決定大自然地質及生態的關鍵角色。他說究竟人類文明可以走得多遠,走向何方?文明雖然可以進步,但不代表會帶給我們更美好的明天,這也是我們應該共同省思和正視的嚴肅課題!
 
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