研究成果6

研究成果

│對溫室氣體具高親和力之熱穩定非共價有機骨

架孔洞結構│

近年來科學家積極投入研究全球暖化及溫室氣體

危害的議題，由美國休士頓大學化學系 Prof. Ognjen Š. Mi l janić 主導，與芝加哥大學 (ChemMatCARS, APS) 及本中心共同合作，成功地合成出對溫室氣體具有強吸附能力的孔洞材料。一般認為金屬有機及共價有

機骨架結構大多具有優異熱穩定性、多孔性及可模組化

合成特性的孔洞材料，且其結構相當程度地控制了孔徑

大小及表面性質。該研究成果與一般認知不同，報導一

個小型氟化有機分子藉由非共價鍵形式組成大孔洞結

構，此結構是由 N-H···N 氫鍵及 π···π 作用力所構成，在這兩種鍵結的協同作用下，使其結構的熱穩定度達到

250 ºC，孔洞表面積達 1159 m2/g，實驗結果更證明此材料可快速且可逆地吸脫附溫室氣體，且對特定溫室氣

體吸附的量幾乎接近 75 % 重量百分比，是相當有應用潛力的新穎材料。此研究使用 BL01C2 光束線。

參考文獻：

T.-H. Chen, I. Popov, W. Kaveevivitchai1, Y.-C. Chuang, Y.-S. Chen, O. Daugulis, A. J. Jacobson, and O. S. Miljanic*, "Thermally Robust and Porous Noncovalent Organic Framework with High Affi nity for Fluorocarbons and CFCs", Nat. Commun. 5, 5131 (2014).

☉ 利用 N-H···N氫鍵及 π···π作用力所構成的非共價有機骨架結構。

│電子與電洞摻雜的超導銅氧化物之集體激發的不

對稱性│

高溫超導態可藉由摻雜電子或電洞於反鐵磁排列的

絕緣銅氧化物而產生，一般認為高溫超導現象和銅氧化

物中的高能量反鐵磁交互作用息息相關。然而，此假設

可由比較電子與電洞摻雜的超導銅氧化物之磁性激發來

作進一步驗證。美國史丹佛國家實驗室 (SLAC National Accelerator Laboratory)李偉生博士的研究團隊使用非彈性共振軟 X光散射 (RIXS)來偵測電子摻雜高溫超導體的集體激發 (collective excitations)。研究發現磁性集體激發的能量隨著電子摻雜濃度的增加而升高，這和磁性集體激

發在電洞摻雜的超導體中所表現的行為明顯不同。另外，

該研究還發現了前所未見的集體激發態，這些激發態由布

魯淵區 (Brillouin zone)的中心散發出去，並且隨著溫度的增加而減弱，研究顯示有另外一個和超導態不同的量子

態存在於電子摻雜高溫超導體中。該研究成果顯示，非超

導量子態以及磁性集體激發態之持續存在是高溫超導體的

共通現象。此研究使用 BL05A1光束線。

參考文獻：

W. S. Lee*, J. J. Lee, E. A. Nowadnick, S. Gerber, W. Tabis, S. W. Huang, V. N. Strocov, E. M. Motoyama, G. Yu, B. Moritz, H. Y. Huang, R. P.Wang, Y. B. Huang, W. B. Wu, C. T. Chen, D. J. Huang, M. Greven, T. Schmitt, Z. X. Shen*, and T. P. Devereaux*, "Asymmetry of Collective Excitations in Electron- and Hole-doped Cuprate Superconductors", Nat. Phys. 10, 883 (2014).

☉ 電子與電洞摻雜的超導銅氧化物之集體激發與摻雜濃度相關性之示意圖。

│利用醣類嵌段高分子製備高效能非揮發性電晶

體型記憶體│

台灣大學化工系陳文章教授的研究團隊，首次發現

自然資源蘊藏豐富之醣類共聚物適合作為記憶體電荷儲存

層，並可藉由溶劑製程調控具 10奈米等級之薄膜型態，配合低掠角小角度 X光散射技術與原子力顯微鏡分析，發現自組裝醣類可隨不同退火條件，產生規整球形、平行基

板或垂直基板之柱狀結構，(如下圖 (a))。當醣類嵌段高分子形成平行基板柱狀形態時，可有效提升主動層與儲電層

之接觸面積，獲得較大電子儲存之記憶視窗。另外，進一

步利用醣類高分子所富含氫氧基團之氫鍵超分子結構，可

將含共軛基團小分子侷限於平行基板之柱狀奈米結構中，

此規整且離散結構不僅大幅提升記憶體效能，記憶體開關

電流比高達 105且可重複操作 200次以上 (如下圖 (b))，更可匹配目前技術領先但多數使用蒸鍍製程之奈米浮式閘

極記憶體。值得一提的是，此醣類為符合環保之綠色再生

材料，其薄膜溶劑製程優勢將可應用於全溶液與環境友善

綠色製程之大面積噴塗記憶體開發。該研究所開發之技術

具有下列創新性 : (1)調控醣類嵌段高分子之自組裝奈米結構控制記憶體特性；(2)結合醣類之超分子結構大幅提升記憶體效能；(3)整合綠色再生資源於記憶體應用之可行性。此研究使用 BL23A1光束線。

參考文獻：

Y.-C. Chiu, I. Otsuka, S. Halila, R. Borsali*, and W.-C. Chen*, "High-performance Nonvolatile Transistor Memories of Pentacence Using the Green Electrets of Sugar-based Block Copolymers and Their Supramolecules", Adv. Funct. Mater. 24, 4240 (2014).

☉ (a) 溶劑製程調控醣類嵌段高分子之自組裝奈米結構薄膜示意圖。(b) 平行柱狀結構分析暨其所對應之高效能記憶體特性。

plant-basedglycopolymer(hydrophilic)

spheres horizontal cylinders vertical cylinders

sugar-basedblock copolymer

oil-basedpolymer

(hydrophobic)

thin film 5-10 nmfeatures

5-10 nm

solvont anncafng procoss

5-10 nm

5-10 nm

5-10 nm

0 200Writing/Erasing Cycles

ON State

OFF State

Horizontal Cylinders

Sugar-block-polystyrene

Sugar

PS matrix

Mem

ory

Rat

io >

105

AB

250 nm

plant-basedglycopolymer(hydrophilic)

spheres horizontal cylinders vertical cylinders

sugar-basedblock copolymer

oil-basedpolymer

(hydrophobic)

thin film 5-10 nmfeatures

5-10 nm

solvont anncafng procoss

5-10 nm

5-10 nm

5-10 nm

0 200Writing/Erasing Cycles

ON State

OFF State

Horizontal Cylinders

Sugar-block-polystyrene

Sugar

PS matrix

Mem

ory

Rat

io >

105

AB

250 nm

│以中孔材料為載體控制奈米鉑形狀及其甲醇氧

化反應│

中孔材料 SBA-15 具有高表面積特性，極適合於高分散性金屬觸媒的製備。長庚大學陳敬勳教授的研究團

隊利用具有酸基的 SBA-15 與純 SBA-15 中孔材料為載體沈積鉑金屬，研究發現 SBA-15 上的酸基可控制鉑金屬於高溫處理後聚集成球狀，而無酸基之 SBA-15 則會導致鉑金屬形成長橢圓形，利用有酸基的 SBA-15 製備的球狀鉑觸媒對於甲醇具有極佳的催化效果。研究團隊

利用本中心 BL17C1 與 BL01C2 光束線的臨場 (in situ)實驗技術，進行 X 光吸收光譜與 X 光繞射實驗，探討鉑金屬形成的機制，並以紅外光譜研究鉑金屬觸媒表面

活性點，清楚證明球狀鉑觸媒的大量平面活性點 (flat site)導致高催化活性。

參考文獻：

C. S. Chen*, Y. T. Lai, T. C. Chen, C. H. Chen, J. F. Lee, C. W. Hsu, and H. M. Kao*, "Synthesis and Characterization of Pt Nanoparticles with Different Morphologies in Mesoporous Silica SBA-15 for Methanol Oxidation Reaction", Nanoscale 6, 12644 (2014).

☉ (上圖 )鉑金屬在含酸與不含酸之 SBA-15載體上之高解析電子顯微鏡影像，在 SBA-15(-COOH)上鉑金屬呈現球狀，在純 SBA-15上則為長橢圓形。(下圖 )甲醇氧化反應比較圖，其中球狀鉑金屬明顯有較高的催化效率。

3200.0

0.2

0.4

0.6

330 340 350 360 370 380 390

Temperature (K)

Turn

over

Fre

quen

cy (s

-1)

0.85% Pt/SBA - 15(-COOH) 2.52% Pt/SBA - 15(-COOH) 0.87% Pt/SBA - 15 2.46% Pt/SBA - 15

研究成果 7

(a)

(b)

研究成果8

│非晶形碳與鈷共濺鍍奈米薄膜之正向巨磁電阻

效應│

非晶形碳與鈷共濺鍍奈米薄膜具有與外加電場有關

之正向巨磁電阻，可以作為未來磁電子學之材料，而這

種現象與鈷及非晶形碳介面之電子結構有關。國立屏東

教育大學應用物理系許華書教授與清華大學工科系李志

浩教授等研究團隊，利用 X光吸收光譜以及紫外光光電子發射光譜技術，研究此一系統在費米能量附近之電子

能態密度。該研究結果發現，參雜 5 %鈷之樣品於不同之退火溫度下，因非晶形碳與鈷之介面形貌不同，使得

鈷原子 3d軌道與非晶形碳之 σ鍵與 π鍵所產生之混成軌道，且因其電子能態密度強度與位能不同，導致室溫

下成長之樣品於 -4.5 V的偏壓下具有正向巨磁電阻，而300 ℃退火之樣品則失去了正向巨磁電阻。非晶形碳材料由於鈷的存在，於外加磁場之 Zeeman效應分裂能階而改變位能，而外加電場改變費米能階，兩者相互配合

之下，形成此一系統之正向巨磁電阻。此外，該研究發

現退火之試樣容易形成鈷奈米顆粒，而降低了其介面混

成軌道之貢獻。此研究使用 BL20A1和 BL24A1光束線。

參考文獻：

P. Y. Chuang, J. C. A. Huang*, P. E. Lu, H. S. Hsu, S. J. Sun, Y. W. Yang, J. M. Chen, and C. H. Lee*, "Band Engineering Magneto-resistance Effect in Co: a-C Films", Carbon 81, 821 (2015).

│應用於超級電容負極材料的氫氧化鐵奈米薄片│

氫氧化鐵因其本身的氧化還原電位皆處在較低的負

電位區，被視為是不同於一般使用在超級電容負極之碳

材料的另一個選擇，其寬廣的工作電位操作範圍，更有

助於應用在非對稱式超級電容器的可行性。本中心林彥

谷博士聯合台灣大學、中央研究院和東華大學等研究團

隊共同合作，利用電化學沉積法將氫氧化鐵奈米薄片直

接沉積在可曲撓之碳布基材上，並與二氧化錳奈米薄片

組合成非對稱式金屬氧化物電容器。利用同步加速器光

源之臨場 (in-situ) X 光吸收光譜，探討氧化價數及晶格鍵長隨實際充放電過程的變化，並搭配電化學交流阻抗

圖譜法，分析不同工作電壓下此元件之介面電阻與電解

液離子擴散阻值的改變。結合上述實驗所得觀察，有助

於瞭解此元件之操作機制，並作為日後提升元件效能之

基礎。此研究使用 BL17C1 光束線。

參考文獻：

Y.-C. Chen, Y.-G. Lin*, Y.-K. Hsu*, S.-C. Yen, K.-H. Chen, and L.-C. Chen*, "Novel Iron Oxyhydroxide Lepidocrocite Nanosheet as Ultrahigh Power Density Anode Material for Asymmetric Supercapacitors", Small 10, 3803 (2014).

☉ 氫氧化鐵負極材料於不同外加電位下之氧化價數與離子鍵長及晶格結構之改變趨勢。

☉ (圖上 )樣品於 -4.5 V外加偏壓下，具有正向巨磁電阻之情形。 ☉ (圖下 )在費米能階附近，電子能態密度 (DOS)於外加電場及磁場之變化。

(b)(a)

(d)(c)

│直接相位選擇法改善電子密度及蛋白質結構決定│

相位角問題長久以來一直是蛋白質結晶學中重要但

未解的難題，特別在利用單波長異常散射 (SAD)方法決定相位角時，所產生的相位角不確定性。現在較常用相

位角平均值與 FOM (或 phase probability)計算取得最適值，但會產生較大的誤差。儘管目前有許多方法結合

各種功能參數與一些程式，進行自 SAD 所獲得的相位角之後續改善，但仍無法有效處理一些困難或較差的晶

體繞射數據。其問題最重要的關鍵在於無法獲得較佳而

正確的初始 SAD 相位角，以進行後續相位角與電子密度圖的改善及結構決定。

本中心科學研究組陳俊榮博士的研究團隊發展出了

一全新的直接相位選擇法，解決了 SAD 相位角的不確定性。根據所提的新參數 θDS (θDS為初始 SAD 平均相位角與初步 DM相位角之間的夾角 )，在 35 - 135度範圍內所對應的繞射數據直接選取初始相位角 ϕ1或 ϕ2，

取代原有的 SAD 平均相位角，以產生新的相位組合。此新方法可有效地直接選擇，並決定出正確的初始 SAD相位角，大大地改善後續電子密度圖的品質，使得一些

困難且低解析度或較差數據的結構可順利被解出。該研

究成果中比較了數個常用的程式，證實了這個新方法能

更有效地產生較好的相位角與電子密度圖，以決定新結

構，提供了一個有效解決相位角不確定性的新契機。此

研究使用 BL13B1、BL13C1和 SP12B2光束線。

參考文獻：

C.-D. Chen, Y.-C. Huang, H.-L. Chiang, Y.-C. Hsieh, H.-H. Guan, P. Chuankhayana, and C.-J. Chen*, "Direct Phase Selection of Initial Phases from Single-wavelength Anomalous Dispersion (SAD) for the Improvement of Electron Density and ab Initio Structure Determination", Acta Crystallogr. D 70, 2331 (2014).

☉ 直接選擇法 (右 )與常用方法 (左 )所得電子密度圖的比較。(上：lysozyme_S；中：Insulin_S；下：新結構 _Se-SAD)。

│結核桿菌之結構解析及其抑制劑研究│

結核桿菌 (Mycobacterium tuberculosis)是結核病的致病菌，全球發病率及死亡率極高，每年約有兩百萬

人死於結核病。隨著結核病感染率的提高，越來越多的

藥物被廣泛應用於結核病的治療。藥物氾濫使結核桿菌

對藥物具有一定的耐藥性，一般的藥物已很難根治結核

病。 中國科學院天津工業生物技術研究所郭瑞庭研究員

與美國伊利諾大學 (UIUC) Prof. Eric Oldfield 以及中央研究院王惠鈞特聘研究員合作，在 Rv3378c 的研究方面取得了突破性進展，解析出來源於 Mycobacterium tuberculosis 的 Rv3378c 的酶蛋白結構、受質以及二磷酸鹽抑制劑 BPH-629 的複合體結構。Rv3378c 二聚體結構與 cis- 異戊烯基轉移酶採用相同的折疊方式，此結構也是第一個來源於細菌的二萜合成酶結構。分析二磷酸鹽抑制劑 BPH-629 的複合體結構，發現其中一個BPH-629 在底物結合位點內，另一分子則位於二聚體的接觸面。此研究為新藥物標靶及抑制劑的開發提供了

方向。此研究使用 BL13B1 和 BL13C1 光束線。

參考文獻：

H.-C. Chan, X. Feng, T.-P. Ko, C.-H. Huang, Y. Hu, Y. Zheng, S. Bogue, C. Nakano, T. Hoshino, L. Zhang, P. Lv, W. Liu, D. C. Crick, P.-H. Liang, A. H.-J. Wang, E. Oldfi eld*, and R.-T. Guo*, "Structure and Inhibition of Tuberculosinol Synthase and Decaprenyl Diphosphate Synthase from Mycobacterium Tuberculosis", J. Am. Chem. Soc. 136, 2892 (2014).

研究成果 9

☉ 針對 Rv3378c及 Rv2361c所獲得的抑制劑複合體結構。