【左家靜】2016 |台大化學三十重聚 |國立台灣大學化學系金必耀教授與化學家左 |

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本文詳細闡釋多孔螺旋鑽石型曲面串珠模型製作過程,包括螺旋條型帶子的製作方法,長帶兩種方式,以及含有八個晶胞此兩種2 x 2 x 2多孔類石墨烯體組裝程序。

後希望讀者不僅模型製作過程中,習得此類奈米結構立體幾何,製作成品可作為具有數學科學內涵藝術品。

─ H. M. Cundy and A. P. Rollett, in “Mathematical Models”

前文「三度週期曲面串珠模型(上)」地介紹P、D、G三種基本三度週期曲面背景知識1-5。

本文中,我們實際串珠程序模組化,並仔細解釋基本螺旋帶單元的製作,以及整個DG兩種結構連接過程。

我們一個2 x 2 x 2G曲面z方向切割,可分解成十六條螺旋長條單元(參見圖1),看出每一條長帶其一側鄰帶相接,旋轉半個螺距後,再以帶子另一側同一鄰帶相接。

製作這分解處是,每個螺旋單元由僅有串珠經驗人製作,可使部分很多人一起參與,而且發生錯誤。

另外一個處是,D曲面可以分解成一樣條帶子,所以同一種基本單元,可以來製作兩種三度週期曲面。

圖1:2 x 2 x 2G型曲面可分解16條螺旋帶子。

十六人一單位,進行分工,每人製作一個結構元。

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如果螺旋長帶兩側想像成DNA兩股,那麼螺旋長帶中凹下去地方像DNA中大溝(major groove)小溝(minor groove)。

單元詳細平面展開圖如圖2圖3所示,我們給出如何沿著平點方向剪裁出長帶結構單元,這些平點落長帶兩側上。

十六條長條結構單元,做地連結,可以得到D型或是G型曲面。

每個條螺旋帶是八個八邊形所組成,每個八邊形環繞著八個六邊形,另外,我們可視長帶為三條帶子組成,兩側細帶子完全是六邊形,而中間六邊形八邊形交替組成,相鄰兩個八邊形一個六形以對位方式相接(圖3),因此這種方式而成結構可用高柏格(Goldberg)向量(2,0)表示。

原則上,我們可以其它高柏格向量來建構曲面,但本文(2,0)結構討論。

圖2:條帶子剪裁。

圖中繪製石墨烯片是一個六苯並苯單元,環繞這六個八邊形六個六邊形。

圖3:圖上長帶單元平面圖一個建議編織路徑;圖下是一條長帶示意圖。
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示意圖中灰色區域是一個複元,兩側分為四段,R1, R2, R3, R4L1, L2, L3, L4表示。

圖中我們了三種顏色來表示八邊形,用來表示三種八邊形所朝方向(參見本文首頁中串珠模型圖示),讀者可以選擇自己喜好顏色。

GD曲面中八邊形處局部環境完全一樣,但這些八邊形所朝方向(即法線方向)可以分為三類,指向x、y、z方向,我們剪裁長帶中八邊形,朝向xy方向,圖3中選擇藍色紅色來表示這兩種八邊形,而長帶邊緣紫色珠子是朝向z方向八邊形一部分,進行組合時,會完成。

圖3中通過每一個多元環粗線是一個可能編織路徑,過去經驗,魚線兩端長度消耗速率一樣,是一個選擇。

選取珠子總直徑兩倍長度,八字編技巧,循著編織路徑一線,此時魚線通過條內側珠子兩次,而邊緣珠子則通過一次,注意應避免魚線穿過邊緣珠子超過一次,來縫合長條單元時,魚線會一次通過這些邊緣珠子。

圖中所示編織路不是唯一,讀者找出其他通過每一個一次而且一次路徑。

初學者建議使用6到10mm珠子,及0.6到0.8mm釣魚用尼龍線。

十六人一單位,進行分工,每人製作一個結構元。

 

製做成串珠模型如圖4所示,我們不能條帶子攤平面上,這完全六邊形組成長條是,原因是此條中八邊形會產生負高斯曲率, 整條帶子因而無法平躺在一個平面上,迫使條帶子扭曲而形變。

操弄,長帶可以變成一條一個方向旋轉螺旋帶子,四個八邊形會使得串珠長帶單元扭轉一個螺距。

要做出一個2 x 2 x 2串珠模型,每個條螺旋單元應該包含八個八邊形,於是兩個螺距,但後實際做出來G型曲面串珠模型,z方向會些,並非是2 x 2 x 2(參見前文圖2G曲面圖像),讀者不妨思考,若是要做出2 x 2 x 2,應該如何調整基本單元長帶串法。

要簡化相鄰長帶間連接方式,我們用圖3中下側示意圖來表示一條長帶,並且進一步一個螺距分為四段,每一段稱為一個段距。

描述,兩側各四個段距分別編號R1、R2、R3、R4,以及L1、L2、L3、L4,這八個段環繞前後左右四個相鄰長帶某一段相連接。

每一相鄰長帶一個螺距內,去左右兩側一個連接段距,一個長帶四個臨帶相接,這樣盡八個段距。

看,每個段共含有八個珠子,其中段邊緣兩個珠子相鄰段距共用,每一個珠子應到一個碳碳鍵。

值得注意的是,排列成鋸齒型(zigzag)形式碳碳鍵,使用珠子串出來後是一條線(圖3),這條直線八邊形側邊位置產生轉折,然後連接著接近直線另一個段距,,每四個段組成一個螺距單元。
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讀者不妨檢視你做出來串珠模型單條螺旋長帶,應該是地,很形變,產生許多可能構形,圖2中所示是接近扭轉螺旋形式構形(twisted helical conformation),適合用作進一步結合成鑽石形週期曲面。

這節我們介紹基本單元螺旋長帶出發,兩種組裝方法,做出兩種三度週期曲面,即D型曲面G型曲面。

筆者經驗,組裝過程是整個過程中,發生錯誤步驟,所以小心檢查有關DG結構特徵,發生錯誤,儘可以進行拆除與修正,於串珠本質上是一個循序過程,某一步發生錯誤,尋原路徑倒回去,拆除每一個步驟,所以時時檢查,確定每一步是正確,是。

介紹如何連接前,讓我們熟悉一下圖5中所示兩條螺旋長帶結合成G型曲面形狀。

圖1兩條獨立螺旋長帶,應該會注意到相鄰兩個螺旋帶一個是左旋,另一個右旋,而且是螺旋帶大溝對著小溝方式,彼此嵌合在一起,產生一左一右交替,但完全一樣孔洞。

地,D型曲面兩條長帶是一左旋一右旋相鄰兩條螺旋長帶結合起來,所產生孔洞是完全一樣,但是稱地位兩長帶結合間,我們後面會有關於幾何特徵討論。

相鄰兩帶連接處為(R1, L1)及(R3, L3)。

圖7:G型曲面中,相鄰兩長帶連接方式示意圖。

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2016.06.04(六)國立台灣大學化學系金必耀教授與化學家左 …

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段距1處,相鄰兩帶R1L1連接起來,然後段距3地方必需帶扭轉,使得位於外側處L3、R3扭轉到內側,然後連接起來。

實際操作時,發現,必需帶其中軸扭轉為螺旋狀,讓一條是左旋另一條是右旋,才能進行上述結合。

相鄰兩帶連接處為(R1, L2)及(R3,L4)。

相鄰兩帶排列(見圖7),兩條是藍紅藍排列。

R1L2連接起來,然後彎曲兩條長帶,使其一條左旋、另一條右旋,R3L4處段距連接起來。

這兩種方式,單條螺旋帶有形變:D型曲面中長帶扭轉(twisting)主,而G型曲面則含有程度彎曲(bending)貢獻。

螺旋長帶三度空間形狀變化,可以扭轉(twisting)彎曲(bending)程度來區分。

我們這裡所談扭轉彎曲概念,基本上DNA雙股三度空間變化是,可以想像DNA像是一個鐵軌,鹼基像是鐵軌枕木,描述DNA鐵軌三度空間中轉可以有兩個。
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於解釋,想像兩鐵軌枕木中間位置所形成曲線稱為中軸曲線。

第一個情況,中軸曲線是一條直線,枕木繞著它轉,此為扭轉,這應到是Z型DNA。

另一情況,是鐵軌完全繞著中線轉,而是兩鐵軌中線一起轉,這是彎曲,有點像是煙卷螺旋。

回到P、D、G三種三度週期曲面,D曲面完全扭轉主,P曲面是彎曲,而G曲面是兩者之間,類似B型DNA,螺旋帶有一些扭轉,有一些彎曲。

實際進行相鄰兩長帶組裝時,會注意這螺旋長帶產生變化,組裝D曲面時,螺旋長帶沿其中軸線扭轉,而組裝G曲面時,帶進行程度彎曲,進行連接。

圖6:D型曲面中,相鄰兩長帶連接方式示意圖。

注意兩長帶顏色走向是相反。

圖7:G型曲面中,相鄰兩長帶連接方式示意圖。

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注意兩長帶顏色走向是。

圖8圖9出D型G型兩種曲面螺旋長帶連接詳圖,連接每一段距,我們需要用到額外四個珠子,其中兩個屬於面向z軸方向八邊形,使用紫色;另外兩個屬於六邊形,八邊形並相接,使用白色珠子。

每條螺旋長帶鄰帶相接,需要用掉4 x 16 = 64個珠子,十六條需接合24次,所以需64 x 24/2 = 768個珠子,除以2是避免複計數。

有每一條用了250顆珠子,十六條共4000個珠子,所以需4768個珠子,於沒有計算後上下兩面額外珠子,整個模型應該需要5000個珠子左右。

圖8:D型曲面中,相鄰兩長帶連接方式詳圖。

圖9:G型曲面中,相鄰兩長帶連接方式詳圖。

結合兩條螺旋長帶串珠結構如圖10圖11所示,應到D型G型結構。

仔細審視,看出與前面討論,我們所得D型曲面串珠模型中,螺旋帶是扭轉方式,相鄰長帶彼此結合;而G型曲面串珠模型,是扭轉加上程度彎曲,相鄰長帶結合。

值得一次強調是相鄰螺旋長帶,一個是左旋,另一個是右旋。

兩個曲面中孔動排列,D型曲面中孔動,稱地排列兩個螺旋接合處;而G型曲面中孔洞是一左一右,交替排列。

而且兩種曲面上八邊形排列方式,D型曲面上八邊形朝向左右四十五度方向;G型曲面上兩種八邊形,是對著xy軸方向。

讀者應注意到,D型曲面平移週期,是G型曲面一半。

圖10中D型曲面例,深紫色八邊形,帶每轉一圈,深紫色八邊形複一次;而G曲面是帶多轉一圈,會複,因此圖10中D曲面,沿著長帶z方向,轉了4次;但是圖11中G型曲面只重複兩次。

另外,使用同樣長度螺旋長帶,製作出來D型曲面會G型曲面。

掌握到相鄰兩個螺旋長帶兩種方式,可以開始其他螺旋長帶,可以有許多分工方式,我們建議如下,將十六條兩兩連接,這樣有如圖10或是圖11中兩條結構八個,接下來可以它們其中兩個,連接成一個四條單元,依序一次連接兩條單元上去,後變形成後接近2 x 2 x 2三度週期曲面(圖12)。

有一點是所有接完時,應注意到上下兩個面並沒有平行於xy平面,所以需要額外編織數目的珠子,填滿上下兩個面。

同樣螺旋長帶單元,可以繼續製作D型曲面,圖13中左圖模型是含有四條螺旋長帶D型曲面,而右圖是方式建構D型曲面串珠模型6,可見結構曲面,使用切割構築方式,後產生串珠模型,有截然不同感覺。

如果參與學生有三十幾人,可以分成兩組,進行D型G型曲面製作。

讀者可能會問,什麼所有兩條單元,接成柱行四單元結構,然後兩兩結合,變為八個單元結構,後變成十六單元後模型。

這樣作法,主要困難進行接合時,並不是很進行串珠,因為需要兩個結構中間,裡外串,導致無法進行連接。

如圖10或是圖11中兩長帶單元並不是很,可以地形變,因此兩長帶單元基礎,是考慮到一方面可以讓多人參與,另一方面顧及串珠,可以最短時間,讓人參與,後完成這兩個模型。

本文所使用螺旋長帶做出發點,並無法建構P型三度週期曲面,但是P型曲面結構,存在有許多鏡面稱,直接看著圖14P型曲面結構,可以很理解整個結構中區域關係,讀者應該可以很地用做出此結構串珠模型。