●實驗室合出尿素 翻轉科學家思維
碳，有機化合物的骨架，矽，半導體工業的基礎。元素週期表裡的4A族（碳、矽、鍺、錫、鉛、鈇），同時具有金屬與非金屬的特性，獨領風騷上百年。
由於碳原子不只可以和金屬原子連接，也可以和非金屬連接，甚至碳和碳之間也可以相接在一起。碳原子廣納百川，如此有彈性，所以被拿來當作地球上生命物質的原料，當是捨我其誰，適得其所。
在過去有很長一段時間，科學家毫無道理地認為：自生命產生出來的物質，不可能在實驗室中人工合成。這條禁令一脈相承，也沒有人質疑過。所以當年輕的維勒在實驗室合成出「尿素」後，真是當頭棒喝、石破天驚，就像撕去符咒，打開了潘朵拉的盒子。這下子可不得，歐洲各大實驗室除重新驗證維勒的實驗是否正確，也重新思考這條禁令的荒謬！科學家自此開始合成各式各樣的有機化合物，創意大爆發，累積出「有機化合物」這門學科，也是當今化工系相當吃重的科目。
●各種生命現象 都和化學反應有關
維勒打破了生命與非生命的界限，人工合成的有機化合物大爆發，目前已知的有機化合物種類約8千萬種，每年還是有上百萬種人工合成的有機化合物出現，影響人類文明甚大。日常生活最大宗的有機化合物就是塑膠，如果把塑膠產品抽離，我們能用的東西突然少得可憐。地球儼然已是一顆塑膠星球，面臨嚴重的環保問題。
生命科學的領域一直在擴展，使得生命和無生命間的界限逐漸模糊，例如：DNA的雙螺旋構造被克里克和華生提出後，人類已經有辦法在遺傳物質的研究裡，解答各種生命現象的複雜問題，原來都和化學反應有關。沒有生命物質的禁忌或限制，修改DNA的技術逐漸發展，但也產生遺傳方面的倫理議題。預防COVID-19的BNT疫苗所用的生物科技，原本用於治療癌症，後來拿來對付容易突變的新冠病毒，這些都濫觴於維勒的尿素。
●布料纖維有三種 植物動物與合成
當代兩大顯學：生命科技及半導體工業，都源於4A族。
就拿布料的演進來說，布料纖維主要有三類：植物纖維、動物纖維、合成纖維。
纖維就是絲，只要能抽出細細長長的絲，就有辦法織成一塊布，剪裁縫製後，就是一件完整的衣服。
漁獵時代，人類以獸皮蔽體，到了農業時代，除了利用棉花和亞麻，也會利用蠶絲和羊毛來做衣服。
棉花和亞麻屬植物纖維，不只可以造紙，也可以製作衣服。純棉衣物柔軟又吸汗，亞麻衣服則透氣涼爽。植物纖維像紙一樣，容易染色、吸汗，也容易產生皺痕。植物纖維源自葡萄糖脫水聚合而成的聚合物，主要成分是碳、氫、氧，所以燃燒起來會產生二氧化碳和水，沒有臭味。
蠶絲和羊毛屬動物纖維，用蠶絲製成的絲綢，清朝時外銷到歐洲，就像瓷器一樣，讓歐洲人讚嘆不已。羊毛也是重要的動物纖維，用羊毛做的高級衣料，尤其是西裝布料，至今價格依然居高不下。動物纖維是以胺基酸聚合而成的蛋白質，主要成分是碳、氫、氧、硫、氮，燃燒會產生惡臭。
人造纖維主要是把塑膠抽成絲，因為原料是塑膠，所以不吸汗、易有靜電。早年製造女性內衣及絲襪的工廠不准廠內員工穿自家產品上班，原因是工作時會因摩擦產生靜電，尤其冬天在工廠走動，容易因靜電放電產生火花，進而引燃塑膠原料發生火災。
尼龍是最早被拿來做衣服的人造纖維。我還記得小學時，制服丟到洗衣機也不會起皺。但是夏天天氣熱，這種衣料不吸汗，常會黏在身上不舒服，往往得在制服裡多穿一件吸汗的棉質內衣。
●合成纖維「快時尚」 衍生浪費資源問題
隨著時代進步，衣服的布料會用混紡方式製作，以合成纖維為骨架，織成經線和緯線，再混入棉花填滿空隙，做出既吸汗又不易皺的布料。這類衣服隨著清洗次數多了，布料裡的棉花被洗衣機給擠出來，留在棉絮收集袋裡，所以會愈洗愈薄、愈洗愈透明，吸汗效果也就愈來愈差。有些冬季的混紡布料，洗衣機洗過開始起毛球，也是相同道理。
植物纖維和動物纖維的原料都要時間累積才能收穫，也需要經過許多勞力才能織成布料，不像合成纖維，自石油提煉大量原料，經過化學變化，隨時能抽成絲，時間成本降低很多。再者，織布機的自動化生產，人力成本降低。「快時尚」興起，就是克服了時間與人力需求而產生的消費模式，當然也衍生了浪費資源的問題。
比起合成纖維，動、植物纖維貴上多倍，但在高端的消費市場依然佔有一席之地。動、植物纖維製成的高級衣料可不能隨便放到洗衣機，一定要用中性清潔劑，慢慢手洗，細細維護，或者送請業者清洗。
●石墨烯是什麼？ 碳元素的結構物
時代進步，布料的種類因應各種需求千變萬化，功能性愈來愈強，比方近期最夯的石墨烯。
話說在前，石墨烯並非有機化合物的「烯類」，石墨烯本身是碳元素組成的單層六角網狀結構物，很像蜂巢。如右圖。
為什麼和烯有關呢？乙烯是雙鍵的碳氫化合物，結構如圖。
經過聚合作用，把雙鍵打斷，再和其他的乙烯結合，形成聚乙烯（PE），這是我們常用的塑膠袋、保鮮膜材料；如果把其中的-H換成-CH3，就成了聚丙烯（PP），常見於寶特瓶；如果換成-Cl就會變成聚氯乙烯（PVC），拿來製造水管、絕緣膠帶；如果換成苯，就成了聚苯乙烯，成為空隙很多，密度很小的材料保麗龍。
由圖中結構看得出來，聚乙烯的碳與碳以「單鍵」連接，正因這項單層石墨結構與其類似，故稱「石墨烯」。其實跟有機化合物裡的烯類一點關係也沒有。
組成元素相同，但結構不同的物質，稱為同素異形體。像氧（O2）和臭氧（O3）；石墨和鑽石。石墨的碳只用到3個單鍵，還有一個電子沒有鍵結而成為自由電子，這個特性使得石墨可以導電，鑽石因為4個單鍵都用上了，沒有多餘的電子，所以無法導電。
●石墨烯雖然神奇 高科技才能達成
人類很早便可從木炭的純化取得石墨，鉛筆筆芯就是石墨和黏土的混合物，石墨成分愈多，畫出來愈黑，反之，黏土成分愈多，筆芯就愈硬。石墨是單層結構，層和層之間的吸引力非常微弱，像一疊滑溜的撲克牌，所以筆芯和紙張摩擦會數層數層剝離，留下書寫痕跡。
石墨很便宜，但是單層原子的石墨烯，要到2004年由兩組科學團隊合作，才分離出單獨的石墨烯平面，使得石墨烯這種想像中的物質，真正問世。領導這兩組團隊的科學家，2010年共享諾貝爾物理獎。
經過十幾年的研究，石墨烯能發揮的地方愈來愈多，應用範圍愈來愈多元，甚至可以製造出比現行矽晶元製成的電晶體，速度更快的碳電晶體，也能用在太陽能電板、透明顯示器……。
石墨烯本身是一項奇蹟，但它奇蹟般的效應是發生在單一層原子組成的狀態下，要達到這個單層原子的等級，必須利用電子工業級的技術才能達成，價格非常昂貴。要把石墨烯用在衣料纖維並量產，恐怕還有一大段距離。
從維勒打開潘朵拉的盒子，放出有機化合物的精靈；DNA的雙螺旋結構，讓我們了解生命中化學反應的因果關係；石墨烯的出現，使得許多夢幻想法可以有個落實的基礎……，科學史的創意大爆發往往來自一個令人振奮的事件，相信科學發展一定會愈來愈興盛，生生不息。潘朵拉的盒子存有希望，我們可以一開再開，讓希望出來！
【2022-12-05/聯合報/R06.07版/好讀周報動腦力】
