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奈米孔洞材料的魅力–王素蘭教授
兩度獲頒教育部國家講座獎,晉升為「終身榮譽國家講座主持人」的王素蘭教授,多年來一直致力於新穎結構材料的合成與鑑定,尤其是在孔洞材料裡填埋無鑭螢光粉,以及晶形奈米孔洞的合成與結構的突破,更是材料合成科學上的重要成就。
 
 
王教授與其研究歷程
▲王教授與其研究歷程

兩度獲頒教育部國家講座獎,晉升為「終身榮譽國家講座主持人」的王素蘭教授,專長為固態化學與結晶學,多年來一直致力於新穎結構材料的合成與鑑定。王教授的研究廣涉奈米孔洞材料、螢光材料、節能(綠色)化學合成方法等,具高度的開創性,尤其是在孔洞材料裡填埋無鑭螢光粉,以及晶形奈米孔洞的合成與結構的突破,更是材料合成科學上的重要成就。她所發表的論文廣受國際高度重視與同儕的引用,大大提升了台灣學術的知名度;另在研究過程中,更為台灣社會培育及儲備了許多具頂尖研發能力的人才,對促進台灣科學與工業的進步有相當具體的貢獻。
 
求學經歷
 
王素蘭教授1976年畢業於師大化學系,在母系完成實習後,於1978年考進臺大化學研究所,並受彭旭明教授(現為中研院院士)的啟蒙,對結晶學產生濃厚的興趣。兩年後取得碩士學位,即前往美國愛荷華州立大學(Iowa State University)繼續攻讀結晶學,1985年取得化學博士學位,並進入Exxon Research & Engineering Co.進行固體粉末繞射研究。之後於1986年回國進入國立清華大學任教至今,現任該校特聘講座教授。 
 
研究歷程

王素蘭教授的專長為X-ray結晶學、單晶/粉末X光繞射結構分析以及無機固態結構化學,茲將其進入清華大學至今從事研究的過程略述如下:
擔任副教授期間,主要研究為單晶/粉末X光繞射晶體結構的分析。除了與國內外單位合作分子物質的單晶結構外,另方面也發展pattern decomposition/curve fitting的分析方法,並與美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)合作,收集中子粉末繞射的數據,在1990年已成功利用粉末繞射進行結構相位的研究。同時,也以單晶數據研究高難度的modulated structure(三元鉬金屬氧化物)與晶格中的disorderliness(無機金屬磷酸結構中的無序現象)。 
 
1992年,王教授開始進行固態化合物的合成研究。她首先嘗試以中溫水熱(hydrothermal)法探討過渡金屬砷酸鹽物質的結構與性質,繼之開發高溫/高壓水熱與熔鹽(molten salt or flux)方法,針對具有混價 (mixed valence) 金屬、特殊M-O-As鍵結型式及團簇結構單元等新穎的M/As/O骨架,研究其相變化、熱分解、磁性或非線性光學等性質。

1998年王教授另踏入微孔物質的領域。她利用中溫水熱、熱溶劑 (solvothermal)方法,結合有機結構指引劑或模版(organic structure-directing reagent or template),合成具有超大遂洞 (extra -large channel)的新穎鎵磷酸鹽結構、挑戰類沸石(zeolitic)磷酸鹽骨架內孔洞的極限值,並研究過渡金屬在骨架中的氧化態與活化中心的位置/環境、鑑定氣體吸附性質與磁性。2001年,合成出第一個具有24元環、奈米遂洞的主族金屬磷酸鹽,NTHU-1﹔ 2004年發掘具有雙孔洞(bimodal porosity) 性質的NTHU-2,發現其具有罕見微孔與中孔並存的特殊氣體吸附性質;2005年更發現最小的水滴-水分子的六聚體椅形團簇(chair-form of water hexamer),單獨存在於鋅磷酸鹽NTHU-3的彈性層中間。2007年,合成第一個具有26元環奈米遂洞的雙金屬亞磷酸鹽NTHU-5。2009年,合成出第二個雙孔洞結構的NTHU-8。更重要的是,發現此類有機/無機複合骨架的連結型式與雙孔洞附性質的密切關係,具顯著的氫氣吸附性質,開啟了儲氫材料的另一種可能。 

2005年開始,王教授更加致力於合成具有本質(intrinsic)發光的微孔金屬磷酸鹽的研究。她首先發現金屬磷酸鹽於不添加鑭系或任何其他發光元素時,就能具有高量子效率的光致發光性質,替微孔磷酸鹽創造了新的應用,這是王教授在奈米孔洞結構與吸附性質外的另一個突破。2005年,王教授實驗室發表了第一個具有高量子效率的白光螢光無機奈米孔洞物質NTHU-4,受到國際同儕與光電業界的高度重視;2008初,更合成出第一個無機-有機複合奈米孔洞、具有更高量子效率的黃色螢光的物質NTHU-6。除了利用水熱/熱溶劑方法,王教授亦開拓了 Deep Eutectic Solvent (DES)的環保合成方法,於2009年再進一步合成 NTHU-7,其具有高量子效率的黃綠色螢光。在2010年,王教授更深入研究了DES系統內部的新化學反應,合成出第一個兼具橘色螢光與光致變色(photochromism)的NTHU-9 。 

2012年王教授開發了具有光敏與熱敏性質的新型傳感材料 NTHU-12,她發現在金屬磷酸鹽反應溶液中,無需添加有機溶劑及昂貴的催化劑,只利用特定的有機分子便可快速有效地進行 C-C鍵結合的合環反應並形成長達數公分的純晶體產物,省去了耗能的分離步驟。2014年王教授實驗室又報告了一種不使用昂貴手性反應物去合成掌性孔洞結構的新路徑,可產生20元環、具有七個非中心對稱的掌性鋅亞磷酸鹽結構,一舉突破當時掌性結構最高的12元環紀錄。2015年,王教授通過使用「三甲苯戰略」(mesitylene strategy),創造多晶型型態的NTHU-14系統,發現反應溶液中會產生自由基,此結果具有重大意義,經進一步證實此與晶型奈米孔洞結構的缺陷與光致發光的產生有關聯。2016年NTHU-15的研究上,為了解決大孔徑的孔洞材料因為有機模板佔據孔道,使其吸附性能方面並沒能如預期般的展現出“真實的孔隙率”。王教授的研究團隊遂利用線形的長烷基鏈多胺模板試劑,首度引導出具有多變螢光性質的掌性鋅鎵磷酸鹽結構,藉由所謂的「模板包覆」策略,首度使有機模板存在於孔洞中仍能表現實質的孔隙吸附、合成一個具高氫氣與二氧化碳吸附能力的NTHU-15。此外也因為有機模板包覆了無機骨架所致的疏水作用,使這個結構呈現高度的水穩定性,更增加NTHU-15在氣體吸附的應用層面。在開發孔洞物質的應用性除了利用「模板包覆」策略追求真實空隙率外,2018年,王教授的研究團隊利用有機配位基分子連接中性無機層,開發了具有奈米孔洞且具有高熱穩定性與高耐濕性的中性結構。這一類中性骨架的好處是可以避免模板阻塞孔洞、或是移除模板時會導致結構瓦解的情況,利用其孔洞吸附特性,首次將金屬亞磷酸鹽應用至揮發性有機分子的螢光偵測,為金屬磷酸鹽的實用性開創了新頁。
 
學術上重大的突破與貢獻
 
王教授帶領的國立清華大學(NTHU)化學系研究團隊,在2013年,利用直碳鏈的單胺作為模板,成功掌控了奈米孔洞的大小,合成出一系列新穎的晶型奈米孔洞結構NTHU-13,發表於國際期刊《科學》(Science)。此研究結果在合成技術與觀念上都具有重大的意義與突破。因為自1992年第一個無機介孔物質被合成後,無機牆結構總是呈現非晶型,對於中孔徑的組成、結構內部連結、物質詳細化學式,都是無法確定的。過去二十幾年,長直鏈有機胺分子導致非晶型孔洞牆結構的現象一直存在,沒有一個研究群能夠突破此困境,因此在如何將微孔的晶型孔徑逐步擴大,達到晶型中孔洞,是合成技術上的一大挑戰。
 
到了2013年,此困境中終於出現曙光:王教授的研究團隊在NTHU-13系統成功地用碳鏈長度控制孔徑,由0.7奈米的微孔逐步擴充到3.5 奈米中孔範疇,所得到的中孔洞無機骨架有良好完整的的結晶牆結構,顛覆了多年來認為長鏈有機胺只能導引非晶型的說法。除此之外,NTHU-13也首次顯式示了微孔與中孔在結晶性上的連貫性,成為一個前所未有的跨微孔與中孔的典範系統:王教授也首度以實驗支持其預測,有超過七十二元環更大孔徑的結構存在。王教授的研究結果,在孔洞物質材料的合成法與發展,有極高的啟發性與深遠的影響。
 
科研合作與化學人才培育
 
王素蘭教授除了在國際奈米超大孔徑金屬磷酸鹽合成領域領先全球,屢獲國際學界肯定之外,同時也整合了清大材料工程學系、化學工程學系、工程與系統科學研究所奈米材料組、奈米工程與微系統研究所等單位,成立奈米研究團隊,更將研究成果與單晶繞射儀等資源,分享給國內產學研各界。「基礎科學的成果,本來就該開放,甚至要主動去服務更多人。」事實上,除了前端研究的分享,王教授對於化學科普的推廣也不遺餘力。王素蘭教授提到對化學教育的看法,她表示一般人或許認為化學研究不如工程學、生物科技等學科較受關注,使得學生較不願意選擇化學科系。其實,化學是門重要的基礎科學,它正界於應用與理論科學的邊界,其效用也涵蓋了雙邊的正面效應。因此,基礎學理的研究也是能應用在工程,或是生物科技的,希望藉科普教育能喚起年輕學子對化學科目的興趣。另基礎科學的訓練對年輕學子尤其重要,特別是邏輯思考的能力,因未解決問題是學習的重要過程,而解決的過程則需要有清晰的邏輯思考能力。
 
另外,常人對化學的迷思多認為化學會帶來汙染,這些污染涵蓋食安、藥品濫用等問題,故將化學歸類是骯髒的科學(Chemistry is a dirty science.)。殊不知,人體本身即含有化學元素,而日常生活中吃的食物或接觸的各種物品也都含有化學物質,這些化學物質的差別僅在於是人工合成抑或是天然產生。而它們的化學成分其實是相似的,只是雜質含量多寡大不相同,尤其是工業級的原料因有害的重金屬含量較多,會對人體造成傷害,然若要去除之,不可避免的會增加極高的成本。使得不肖商人寧可犧牲社會大眾的權益與健康,以利益優先,因而加劇了民眾對化學物質的錯誤理解。對此,王教授認為,若是能夠透過科普教育,導正民眾對化學的負面誤解,應該有助於釐清對化學的迷思。
 
身為傑出的女性科學家,王素蘭教授也鼓勵女性要多參與科學研究。2013年獲選傑出女科學家時,她感性地呼籲:「女性應該多進科學研究室,因為工作時間彈性,適合兼顧家庭和工作。」王教授分享,自己的孩子幾乎是和眾多研究計畫一起成長的。「通常是回宿舍把小孩安頓好,哄睡後,再回到研究室工作到凌晨1、2點,等每位學生都回家了才下班。」在男性人數居多的理工科中,王教授認為,女性從小就被要求要周延、細心、分擔更多生活事務的特質,其實是很適合從事科學研究的。「尤其是化學,因為化學的領域很廣,也有很多分支,發揮空間是很大的。」
 
對於未來的目標,王教授談到研究人力短缺是現階段做研究的瓶頸,然而即使自己的團隊人數不多,她也不因此畫地自限。王教授堅定地相信,憑著自己的毅力與專注態度,獲得的成就將令外國研究者難以望其項背。專注,終究會有所得、有所成。因此,王教授同時鼓勵年輕學生應該擁有寬廣的視野、走向國際。我們當前處在全球化的時代,年輕學生應該勇於走出舒適生活圈,跳出框架、突破侷限。
 
責任編輯:郭啟東/國立中山大學
 
來源 來源:
本文由科技部「主題科學傳播」團隊策劃執行
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奈米(38)奈米孔洞(2)主題科學日(54)
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