Theoretical physicist says polymers in a vacuum may yield valuable data
http://www.physorg.com/news114447765.html
November 16, 2007
一種聚合物行為的理論性分析指出，當大分子在真空中時，其行為與其在溶液中會十分不同。這項發現指出，若對所涉及之物理學、在真空中運作之分析技術 -- 諸如質譜儀與有機分子在太空中的研究 -- 有更好的了解，將能比現在產生更多資訊。
"大分子的質譜儀是一項重大突破。不過你只能從它或的一個數字，即分子的質量，而這就是全部，" Joshua Deutsch 說，加州大學 Santa Cruz 分校的物理學教授。
在一篇於 11/16 當期 Physical Review Letters 上發表的論文中，Deutsch 分析大型分子在真空中的行為。他說，當長鏈狀分子被釋入真空時，根據它們的組成，會以特有方式振盪。藉由電磁感應器測量這些振盪，科學家有朝一日能該分子化學結構的細節。
許多重要的生物分子都是大分子（macromolecules，巨分子），包括蛋白質、碳水化合物、脂肪與 DNA 這類核酸。在自然界中，這些聚合物 -- 重複單元的長鏈由堅固的化學鍵連接 -- 總是在溶液、在我們的細胞中。所以醫學研究者傾向在溶液中研究它們。
當任何試著衝入一個池子中的人都可以證明，水會阻礙運動。細微結構，例如生物的大分子懸浮在細胞的液體中，好像糖漿中的義大利麵條，Deutsch 說。在溶液與分子之間微弱的化學吸引力，經常會使分子擴張，讓它呈現出延伸擴大的姿態。
不過在真空中，Deutsch 領悟到，這裡並沒有媒介可以抑制（dampen，譯註：也有弄溼的意思）運動 -- 只有分子本身內部的力。他發現這種內部摩擦力會致使與溶液中分子十分不同的行為產生。
Deutsch 撰寫一個涉及簡化分子之物理學的電腦模擬，那包含 128、256 或 512 個次單元，以單鏈狀排列。當他執行這個模型時，他驚訝的見到在鏈上的點會週期性的靠近，然後遠離，然後持續這種延長的振盪，類似於側邊的鈴在響個不停時振動（continue in prolonged oscillations similar to the way the sides of a bell vibrate as it rings）。
"它讓我徹底驚訝，" Deutsch 說。"之前未曾有人研究過這個，而且基於你在溶液中之所見，你將不會預期該系統會像那樣 ring 呀 ring 的..."
在經過更多分析之後，Deutsch 領悟到答案可用一個幾百年前的簡單概念來解釋。"結果是 Galilean invariance（伽利略不變性），" Deutsch 說，他指的是物體在真空中移動不會慢下來這個原理。這表示，大分子中的每個次單元，會覺得它的鄰居在推拉，不過整個分子的移動並不受溶劑限制。
"這比你在溶液中所得到的阻尼（damping）要更沒有效率，" Deutsch 說。
這種振盪在無線電頻率範圍之內，而且夠強烈，或許，能在質譜儀的真空腔內被偵測到，Deutsch 說。
首度在 20 世紀早期發展，質譜儀有很多年被侷限在研究原子與小分子。質譜儀藉由將分子加速越過一段特定距離，然後測量這段旅程有多久而運作。當儀器夠好時，者可以揭露粒子的質量。
大分子的質譜儀起先面臨一大障礙：沒有人能開發方法，將它們完整不動的蒸發。接著，在 1980 年代初，一位年輕的日本電機工程師，叫做田中耕一（Koichi Tanaka）在準備一個不完美的實驗室預備時，意外發現了一種方法。他跟隨這個錯誤進行更多研究，最終開發出一種可使用的方法，讓他贏得 2002 年諾貝爾化學獎。
在這篇新論文中，Deutsch 指出，質譜儀配備適當的儀器，能從被蒸發的大分子測量這種振盪。藉由比較已知樣本的測量結果與理論性的預測，研究者或能學到比僅僅只有其質量還要更多的東西。諸如鍵的排列、電荷配置或原子組成等特徵都有可能被決定。
"例如，DNA，因為它是雙螺旋，比單鏈還要更加堅硬，" Deutsch 說。"你應當能夠測量它。"
目前，Deutsch 正讓事情簡單化。他的模型只觀察同一次單元所組成的單股，其電荷只作用在鏈的每一端。這離典型大分子還遠的很，那有糾纏在一起的化學鍵，包含許多次單元還有不同的順序，還有沿著其長度被驅散的電荷。不過 Deutsch 相信，起頭很簡單。
"我現在就能把全部都加入，不過我將學到什麼呢？" 他說。"我想研究出這個系統的基礎。然後實驗者就能從這採用它。"
※ 相關報導：
＊ "Polymers in a vacuum" , J.M. Deutsch
http://physics.ucsc.edu/~josh/pdf/PolymersInVacuum.pdf
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