2020年12月29日 星期二

藝術素人的理工人「心賞」吳寬瀛之幾何藝術(中) 田園記趣系列(7) 王飛龍 Dragon

         對稱是自然美的象徵,在植物的花、葉及礦物的晶體等物種上有極為精緻的表現。化學分子,本身具有對稱結構的不在少數,經由有序不紊的分子堆集,大都能形成燦爛對稱的晶體。

        探討這些對稱性的數學就是「群論」,成為唸化學者必備的工具之一。學了「群論」,讓我對美的定義增加了「對稱」這個要素,當然也要找一些物件來觀察他們的對稱性及美感。最先找的是比較簡單的立體結構來分析,那就是柏拉圖立體。柏拉圖立體在幾何學中的定義是:各面都是全等的正多邊形、且每一個頂點所接的面數都是一樣的凸多面體。符合這種特性的立體總共只有正四面體、正六面體(立方體)、正八面體、正十二面體及正二十面體5種。它們分屬於Td、Oh、Oh、Ih及Ih點群,這一部分比較專業,僅列出來供大家參考。簡而言之,相同點群的物體具有相同的對稱性,給人有著相類似的美感。

吳老師的作品中,有不少的作品是從柏拉圖立體為基礎發展出來的。

      柏拉圖立體看似簡單,但是如何融會貫通又是另一回事了。最有名的例子就是確立[Co(NH3)6]+3錯離子為正八面體的故事了;當初[Co(NH3)6]+3錯離子剛被合成出來的時候,很多化學家都在推斷它的結構,有的認為是直線型,有的提出了圓圈狀的結構;後來有一位瑞士化學家維爾納,提出了正八面體的結構,即:在錯離子中,Co3+離子位在中心,6個NH3在圍繞著它形成正八面體的結構。他的論述為當時的權威學者所不認同,甚至受到打壓,但是他並不氣餒,提出了更多的反應數據做為佐證,終於讓對方無法再辯駁,他的八面體的結構也得到大家所認同,也因為他確立了正八面體的結構,而獲得了1913年諾貝爾化學獎。

       將柏拉圖立體經過截角、截半或擴邊等操作,可以得到另一種高度對稱、美觀的凸多面體,稱為阿基米德立體。以正立方體為例,經過截角後就成為截角立方體,此為阿基米德立體的一種。

      經過截角、截半或擴邊等操作所得到的凸多面體,擁有兩種或以上的正多邊形的面,且每個頂點的情況相同,稱為半正多面體,阿基米德曾研究出半正多面體共有13種,(其名稱如附圖所示,名稱下所附的數字,代表每個頂點所接鄰的多邊形及其數目) ,所以有人將半正多面體稱作阿基米德立體。因為面是由正多邊形組成的,每個相鄰的正多邊形的邊長相等,故阿基米德立體的邊均有相同長度。

        前面談到的巴克球,C60,的分子的空間結構就屬於其中之一,是由正二十面體經過截角操作而得,稱為截角二十面體。因此可以知道,碳六十分子所屬的對稱性群也是與正二十面體相同的Ih群。

         另外,我以前研究的項目之一是沸石(Zeolite),沸石其構造骨架以阿基米德立體的截角八面體(稱為sodalite cage, cage為籠狀物之意)為主,圖為A型沸石與Y型沸石。這兩種沸石雖然都以sodalite cage為主體,但是cage與cage之間的聯繫方式卻不相同,在A型沸石中是以cage的4圓環相互聯繫形成骨架,而在Y型沸石中卻以cage的6圓環來相互聯繫。這個結果,A型沸石的入口細孔口徑為8圓環屬於小口徑的沸石,而Y型沸石的入口細孔口徑為12圓環屬於大口徑的沸石。構造上的差異造成了他們的物理化學性質上的不同。

        沸石的結構式為A [ (AlO2)x (SiO2)y] ·n(H2O),其中:A為Ca、Na、K、Ba、Sr等陽離子。由此可見沸石的骨架是以矽酸鹽鋁為主,而與之結合之水分子顯得較弱,加熱時容易脫離,看起來像水沸騰一般,因此將希臘語zeo(沸騰)及lithos(石頭)合併起來,稱為沸石(zeolites)在1975年,瑞典礦物學家Cronstedt於冰島座火山岩調查時所發現與命名。 沸石的孔洞結構,使其具有很大的內表面積,脫水後因孔道結構的連通和空曠而具有很大的內表面積,巨大的內表面積形成了沸石高效的吸附性能,孔洞口徑的大小可以過濾其他物質的分子,形成了具有分子篩作用。再加上具有離子交換性,可以經過修飾後改變其物性與化性。因此沸石大量使用於石化工業作為催化劑使用,像石油煉製過程中的裂解催化、液壓催化和氫化裂解;用做石油化工中的異構化、重組、烷基化、不均化和轉烷基化反應等催化劑使用。沸石具有獨特的離子交換性、熱穩定性和耐酸性等,亦被廣泛應用於建材、環保、離子交換、日常用品、農牧業、造紙和塑料等領域。  

        之後的研究者繼續將柏拉圖立體變形,形成各式各樣的多面體;其中以星狀多面體最討人喜好,那是將正多面體的每面取消,但在這些面上添加全等的正角錐( 添角,cumulation),這樣就可以得到相當對稱的多星體(star polyhedron),圖為對應各種柏拉圖立體的星體。

         以上所敘述的立體,無論是柏拉圖立體、阿基米德立體、星體或其它的變形體,它們的頂點、邊及面呈現出非常美好的對稱性,一般在紙面上都很難將它們表現出來,可是吳老師卻利用他的巧思與巧手,以三維空間的立體方式,以「有秩序的糾纏」系列作品呈現出它們的美,真令人佩服。

PS : 修課的同學,閱後留言,期末有bonus.

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