化學

兩個水分子才夠!

2015-03-01 林志民
年輕團隊發揮創造力,突破水蒸氣濃度和反應壓力的限制,發現最簡單的克里奇中間體會與兩個水分子快速反應,可望讓科學家更了解克里奇中間體在大氣化學中所扮演的角色。

重點提要
■克里奇中間體可能是科學家長久尋找的神秘氧化劑,但它的存在時間非常短、難以研究。
■經由巧思,改良探測光束在反應槽中的反射次數,以測量最簡單的克里奇中間體CH2OO的反應速率,發現CH2OO需要兩個水分子才能快速反應。
■營造做研究的環境,讓年輕人有機會擁抱科學、樂在其中,是激發創造力的好方法之一。

2015年1月1日,《科學》(Science)登出了一篇論文,標題是〈最簡單的克里奇中間體與水蒸氣的化學反應之直接動力學測量〉,作者是趙彣、謝郡庭、張俊宏與我。其中第一、第二作者都還是大學生,可能創下台灣登上《科學》最年輕第一作者的紀錄。

初生之犢

這篇論文的前兩位作者趙彣和謝郡庭,都曾經在2010年參加我所籌劃的科學營,這個科學營是中央研究院原子與分子科學研究所舉辦的「科學家在玩什麼」系列活動之一。那時,我和幾位同事眼見現今大學生普遍在科學興趣和研究能力上出現下滑的趨勢,我們深感憂心,因此舉辦高中生的科學活動來力挽頹勢。

在科學營中,我們努力營造一個接近實際研究的情境,只給學生科學問題,但不提供完整的研究步驟與方法;學生需要思考摸索,從實驗的結果來歸納(或猜想)現象背後的原理,進而建造物理模型來描述實驗的結果。對高中生來說,這些當然是很艱難的課題。他們盯著不聽使喚的儀器、思索圖表和數據的意義、操練他們的腦細胞,教授和助教則在旁邊協助解決操作儀器的問題,有時候提供一點點暗示……。

還記得謝郡庭的表現很突出,但這並不奇怪,因為當時他已經是物理奧林匹亞的國手,後來還代表台灣參加國際物理奧林匹亞競賽,獲得金牌;趙彣和其他學生也很認真。不過說實話,我們給的題目真的不是普通高中生能馬上解開的。

後來,趙彣甄試上了台灣大學化學系。在大學二年級下學期時,他來應徵我實驗室工讀生的工作。剛開始,趙彣一週只能來實驗室一天;我並沒有指派什麼特別的工作給他,只是交代他做「新生訓練」。我實驗室的新生訓練是進行一些基礎的電學、光學、真空、機械實驗,但沒有提供步驟,要自己思考或找出做實驗的方法;主要是讓碩士班新進學生熟悉實驗室的一些儀器,以及做實驗的技巧與想法。我希望學生在真正進行研究之前,能打下一些基礎,免得做實驗時手忙腳亂。趙彣倒是挺認真在做新生訓練,並在上課之餘觀察其他學長姊做研究。

我們實驗室長期研究大氣化學中不穩定物種。趙彣大二暑假時,我讓他試著在分子束中合成最簡單的克里奇中間體CH2OO,並測量CH2OO的光分解截面積(即吸收光而分解的速率)。這項實驗可以參考國外已經發表的文獻,先試試別人發表的實驗條件。經過一些努力,趙彣就看到CH2OO的訊號,和其他人一起改良部份實驗並完成測量。到了大三暑假(2014年),趙彣開始做他向科技部申請的「大專學生研究計畫」。那時,就讀美國史丹佛大學一年級的謝郡庭正好回台灣過暑假,也想來實驗室做一些實驗,於是我讓他們兩人一起著手進行。

發揮巧思


當時,我們實驗室在CH2OO的光譜學上已經有了初步的成果,並利用紫外光吸收的方法來監測CH2OO的濃度,做了一些化學動力學的測量,例如CH2OO與SO2的反應速率。但是早在2012年已有人測量過這些反應速率,我們只是驗證他們的結果是對的。於是,我們得思考要研究哪一項反應,好讓趙彣的科技部計畫可以交差。


看了一些文獻以後,我提議研究CH2OO與水蒸氣的反應。有兩、三組歐美團隊已經嘗試過要測量這個反應,但都沒有觀察到反應發生。我覺得應該來檢驗他們的結果是否正確。尤其是其中一組較為可信的團隊,用的水蒸氣濃度僅為常溫水蒸氣飽和濃度的1/20,我們可以改用比較高的水蒸氣濃度,或許有機會看到反應。


趙彣和謝郡庭試著把含水蒸氣的氮氣通入反應槽,發現即使還沒製備CH2OO,探測光束就都被吸收了;換回乾燥的氮氣,這個奇怪的現象就消失了。難道有些團隊所用的水蒸氣濃度不高,是因為這個原因?但是水蒸氣在我們探測的波長範圍內(300~600奈米)確定不會吸收光束。這真的是太奇怪了!我們後來明白,原來是水蒸氣會吸附在「髒」的光學視窗上(「髒」意味吸附了起始物分子,在此為CH2I2),而吸收了探測光束。因此只要用乾燥氮氣隔開光學視窗與水蒸氣,就克服了這個問題。


另外,趙彣和謝郡庭做了兩項主要的改進。首先,混合含飽和水蒸氣的氮氣與固定比例的乾燥氮氣,來得到各種相對濕度。為了確定水蒸氣達到飽和,我們把液態水加熱,再使水蒸氣在管子中凝結。一番嘗試後,他們掌握了訣竅,不再因加熱太高溫而造成水蒸氣凝結過快阻塞管路。第二,降低CH2OO濃度。我們從先前的研究知道,CH2OO會與其他CH2OO快速反應,若CH2OO濃度高,CH2OO容易遇見另一個CH2OO,「存在」的時間就很短。


這時,如果CH2OO與水蒸氣的反應比較慢的話,在實驗上就不容易看出水蒸氣的效應。理論上,若CH2OO的濃度很低,在CH2OO遇見其他CH2OO而發生反應之前,CH2OO就已經跟水蒸氣反應的話,就能清楚觀察到CH2OO和水蒸氣的反應速率。但實際上的困難是,CH2OO能吸收的紫外光也隨其濃度降低而減少,光被吸收的比例可能連1%都不到,不易做準確的測量。


為了解決這個兩難,我建議使光束來回穿過反應槽多次,增加被CH2OO吸收的光量。參考了一些多次光吸收樣品槽的設計後,我們決定採用凹球面鏡搭配稜鏡的設計。球面鏡能使光束聚焦在球心的附近,把稜鏡放在適當的位置,光束便可平移並反射回球面鏡,達成來回反射。調整稜鏡相對於球面鏡球心的位置,就能決定光束的平移量及來回反射的路徑(參見35頁下圖)。為了方便操作,我們設計使光束穿過反應槽六次。


# 關鍵字:化學水分子鍵結
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人