臺大特色課程系列報導—理學院分子美學

分子美學是一門有關奈米空間秩序的科學藝術課程，是臺灣大學在2019年春季首度開授的一門通識課程，共有來自十一個學院，多達七十餘位學生選修。課程以奈米結構的幾何與對稱為核心，從日常生活容易接觸的串珠材料出發，讓學生運用傳統的立體珠串工藝，搭建各種奈米結構的硬殼球堆積模型與長桿桁架結構，從而認識與各種奈米構築有關的數學、幾何、化學與人文等相關知識。學生透過動手實作寓教於樂，搭建各種奈米結構的模型，培養對於數學與科學的興趣，提升科學人文素養。

著名的物理學家理察·費曼提到若要用一句總結人類最重要的科學知識，那就是「萬物均由原子所組成」，因此認識原子，與由原子結合而成的分子，是現代知識份子該具備的基本素養。原子結合成分子與各種奈米結構遵循著一定的自然律，它們在奈米空間呈現出特定的排列與特別的節奏，可以激發我們審美的本能與情緒，感受這些特殊的式樣，是分子之美。然而人類的感官無法直接認知到奈米尺度的結構，我們只能通過各種巨觀表象呈現原子與分子的結構秩序，這門課結合傳統工藝與科學模型的建構，讓學生“接觸”到奈米世界的幾何與結構，並結合適當的科學史與幾何學，透過實際動手做，闡釋分子的基本鍵結與結構規律，特別會運用串珠工藝降低學生在認識奈米結構潛在的心理障礙，搭建出從簡單到複雜的各種串珠分子模型，讓學生實際感受到奈米世界的空間秩序與構築之美。

目前這個課程包含幾個主題：一、通過球堆積認識基本化學鍵概念；二、從柏拉圖立體、富勒烯到千變萬化的立體石墨烯曲面；三、沸石、晶籠水合物與四配位骨架結構；四、串珠桁架模型與繽紛多彩的奈米結構；五、金屬串分子；六、從串珠分子模型到珠串組合益智玩具。

化學鍵結是認識奈米結構的核心概念，通過化學鍵原子連結成具有特定結構的分子，球形珠子可以巧妙地代表分子中的化學鍵，再根據化學圖排列，給出最後的分子的幾何，因此學生進行串珠搭建特定分子，相當於在進行一個類比計算，計算的結果是分子三度空間的近似結構。

在石墨烯的六邊形網絡上有規律地引進非六邊形，可以產生千變萬化的彎曲立體石墨烯。引進四邊形或五邊形可以在石墨烯上產生正的曲率，含有十二個五邊形的結構是籠形的芙類分⼦。有系統地引進七邊形與八邊形，可產生各種無限延伸並含有許多連通孔洞的三度週期立體石墨烯。

數學串珠也可以用來建構許多四配位骨架結構，如沸石與晶籠水合物。沸石是石化工業上極其重要催化劑，而晶籠水合物可能是地球上未來的最重要的能源來源。沸石是一種矽酸鹽，由矽氧四面體通過橋氧連結為多面體籠子，這些多面體進而堆疊成繽紛多彩各種樣式的三度空間週期結構。

除了球形珠子，其他形狀的珠子也可以巧妙地應用到奈米結構，例如許多固體結構可以視為配位多面體的空間堆疊，其中的原子配位數可以高達十二，我們可以運用長管珠建構此類結構，而且所搭建的長管串珠模型類似工程與建築上的空間桁架，可以說這種串珠模型是奈米世界所啟發的空間桁架雕塑。

金屬串分子是最細小的分子電線，為一種多金屬配位化合物，由多個線形排列的過渡金屬原子、與四條螺旋環繞在其側的有機分子所組成。電流可在中間的金屬串快速流通，而週遭的有機分子為絕緣體，可以防止漏電。使用兩種不同大小的珠子，分別呈現金屬金屬鍵與碳碳鍵，根據金屬串分子的化學圖進行串珠，珠子的堆積自動呈現出金屬串分子的立體結構。

珠串組合模型則是全新的發展，避開繁瑣的數學串珠程序，仍然保留了球形珠子與化學鍵的關係，預先製作線性珠串，通過簡單的交叉，可以搭建出千變萬化的分子珠串模型。更重要的是珠串組合模型是一種全新的積木構建系統，像是一種具有張力的樂高玩具，從三歲到一百零三歲，任意年齡層都可以玩。