分子美學空間中的分子結構

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(1)國立臺灣師範大學美術學系博士班美術創作理論組（新媒體科技藝術）博士論文. 分子美學空間中的分子結構 Molecular Structures in the Space of Molecular Aesthetics. 指導教授：林達隆教授研究生：楊勝雄中華民國一O四年六月.

(2) 謝誌 1990 年偶然跟著一隻分子貓追逐著老鼠，無意間墜入了「分子空間」，我變成一隻鼴鼠，視野茫茫但憑著好奇心本能地向前挖掘，前進的過程並不辛苦甚至充滿樂趣，那時挖掘的土壤是鬆軟的。隨著深度的增加，橫在前途的除了礫石就是岩盤，憑著設計的能力，用分子結構架設出來的坑道成了前進的路，在幽閉的環境中雖然恐懼害怕，心中卻篤定踏實，因為路上總會出現許多原來世界所看不到的新奇景觀，然而，心中仍不免思索著：「我在這裡幹甚麼？」2011 年我搭上「美學潛盾機」繼續探索分子世界，那裡變得奇幻迷人，通過科學與哲學之眼，看到了更多原本看不到的美感與創意，2013 年掘開「分子美學」聖殿的入口，「分子空間」怦然一聲光速般地擴展。二十五年的挖掘，以為會從另一個洞口回到現實，卻意外地發現了一個不可思議的世界。從 2007 年進博士班研讀迄今，在「分子空間」的鑽研探尋，本不是人生規劃的選項，我懷著巨大的不安走上學術路途，懷疑著自己的能力，也懷疑著不可預期的前景，那是種最深層的恐懼。但我博學善喻的指導老師，總能看透這層心思，一次次用智慧提醒盲點，以巧喻模擬論述，讓我看到許多學術的美好風景與動人心扉的主題。在學位答辯中，恩師林達隆教授形容我：「對化學原本一無所知到一知半解，卻能從設計與美學的角度契而不捨，以分子結構發展出自己的美學空間。」感謝老師讓我從那隻鼴鼠蛻變成「分子美學」的探尋者。同時，也要感謝康台生老師自設計研究所以來的指導與照顧提攜，他身兼創作者與學者的經典風範，一直是我學習的楷模；此外，梁桂嘉老師、周賢彬老師、劉素真老師對我的論文認真詳細的謬誤提點，並不厭其煩地做建設性的建議，讓我銘感五內，有師如此，人生大幸。最後，要感謝內人玫玲對我的支持與協助，沒有她，「分子結構」的甬道不能成型，她的陪伴讓我突破了分子結構創作與觀念的桎梏，也讓這二十五年的挖掘變得意義非凡。. i.

(3) 摘要分子是化學中具物質意義的最小單位，自古至今，科學家們持續在尋找分子結構的更貼切表達方式，從平面結構式、實體的分子模型到 3D 立體影像。2013 年諾貝爾化學獎頒給對分子結構模擬有貢獻的科學家，說明分子科學在人類歷史及生活上的重要性。目前科學家不僅能利用理論參數建立逼真的分子結構，並能夠模擬分子的運動狀態進行研究，將原本看不見的分子運作以更生動的方式展現在世人眼前，進而讓人類看見更多原本看不到的可能。 1951 年英國舉行以科學為主要主題、創作內容涵蓋平面圖像設計及公共藝術等個種藝術形式的「英國國家藝術節」，「分子結構」就是藝術家創作的重要主題；一甲子之後於 2011 年，德國舉辦「分子美學論壇」，廣邀當代對分子及其美學發展有深入研究或創作的重量級學者、科學家、藝術家，發表論文與創作。分子結構不僅是科學家研究的對象，也逐漸成為藝術家的創作靈感，媒介從平面、立體、電腦動畫、乃至 3D 列印，範圍則包含美術、設計、雕塑、公共藝術、多媒體、行動藝術、音樂、舞蹈、動畫、電影等。這些跨界交流所產生的效應，對藝術與科學均帶來絕佳的新意義，而以分子結構為靈感所產出的藝術創作也讓「分子美學」的研究因應而生。面對這個新興的藝術科學研究領域，許多研究者從科學、哲學、美學的角度來探討與分子科學、分子結構、分子數學等相關的美學問題。本論文則從設計與藝術創作的角度出發進行研究，並提出一個「分子結構 + 美學思維＝分子美學空間」的雙向創作觀念：一、從分子結構到美學思維所形成的分子美學空間，是屬於美學的思維空間。二、從美學思維到分子結構所形成的分子美學空間，則是藝術創作的實驗空間。本研究一方面根據以科學知識為基礎的分子結構，進行各種不同的創作實驗來探索分子結構在藝術與設計創作上新的可能性，另一方面以美學思維為基礎，創作非科學性的藝術分子結構，作為藝術設計表現的新媒介，分子結構、美學思維、分子美學空間三者最後構成一個嶄新的創作符號三角形。. 關鍵字彙：分子結構、分子美學、突現理論、完形心理學、仿生學 ii.

(4) Abstract Molecules are the smallest units of matter that retain the characteristic properties of a substance. Scientists of all time have been seeking the most explicit way to depict the molecular structures, using the methods such as graphic formula, real models, three-dimensional images, etc. Recently, the Nobel Prize in Chemistry 2013 was awarded jointly to the scientists for their contribution to the development of molecular models. This indicates the importance of the molecular science in human life and history. Nowadays, scientists not only can use variables to build lifelike molecular structures, but also can mimic the motion of molecules. All these developments bring to life the invisible motion inside molecules and thus lead to more visual possibilities that were unseen to human beings. In 1951, the“Festival of Britain＂was held throughout the United Kingdom, with a major theme on science which brought molecular structures to artists＇ attention. The Festival displayed works that covered the genres from graphic design to public arts. Sixty years later in 2011, “Molecular Aesthetics Symposium＂took place in Germany where prominent scholars, scientists, and artists around the world assembled for paper presentation and art works exhibition. Molecular structures became not only a subject for scientists but also the inspiration for artists. Employing techniques such as graphics, three-dimension, computer animation, and 3D printing, artists created works of fine arts, design, sculpture, public arts, multi-media, action arts, music, dance, animation, and film. To both arts and science, this cross-border communication fostered a new definition for aesthetics. Consequently the term“molecular aesthetics＂emerged. Upon encountering this emerging new subject, numerous researchers have started to study molecular science, molecular structures, and molecular mathematics, from different angles in science, philosophy and aesthetics. This dissertation aims to contribute to this field of study from the perspectives of design and art works. Meanwhile, it proposes a two-way art creation concept -“Molecular Structures + Aesthetic Thinking = the Space of Molecular Aesthetics.＂. iii.

(5) 1. From molecular structures to aesthetic thinking to form the space for aesthetic thinking. 2. From aesthetic thinking to molecular structures to form the space for art creation.. This study, on one hand, explores the new possibilities of creating art works based on the scientific molecular structures. On the other hand, it makes use of non-scientific artistic molecular structures as a new media to create art works and designs, based on aesthetic thinking. Thus an intergral triangle linking molecular structures, aesthetic thinking, and space of molecular aesthetics is formed as a new interaction for art creation.. Keywords：molecular structure, molecular aesthetics, emergence, gestalt, bionics. iv.

(6) 目錄. 誌謝 ----------------------------------------------------------------------------------------------i 中文摘要 -----------------------------------------------------------------------------------------ii 英文摘要 ----------------------------------------------------------------------------------------iii 目錄 ----------------------------------------------------------------------------------------------v 表目錄 --------------------------------------------------------------------------------------------ix 圖目錄 ---------------------------------------------------------------------------------------------x. 第一章緒論 -------------------------------------------------------------------------------------1 第一節研究動機與背景 ---------------------------------------------------------------------1 第二節研究問題與目的 ---------------------------------------------------------------------4 第三節研究範圍之界定 ---------------------------------------------------------------------7 第四節研究方法與架構 ---------------------------------------------------------------------9 一、研究方法------------------------------------------------------------------------------------9 二、研究架構----------------------------------------------------------------------------------10. 第二章分子科學與美學理論 -------------------------------------------------13 第一節分子科學 ------------------------------------------------------------------------------15 一、分子簡述 ----------------------------------------------------------------------------16 二、分子結構 ----------------------------------------------------------------------------19 三、分子模型的演進------------------------------------------------------------------------26 四、分子結構的視覺化----------------------------------------------------------------30 五、分子主義 ---------------------------------------------------------------------------33 第二節美學理論 ------------------------------------------------------------------------------36 一、美學簡史 ---------------------------------------------------------------------------37 二、美學與自然 ------------------------------------------------------------------------39 三、純粹美與依存美-------------------------------------------------------------------42 v.

(7) 四、突現的美感 ------------------------------------------------------------------------------44 五、簡化與完形心理--------------------------------------------------------------------48 六、造形與仿生學 --------------------------------------------------------------------------52 本章小結 ---------------------------------------------------------------------------------------------54. 第三章從分子呈現到分子美學的應用發展------------------------------------55 第一節兩種文化－科學與藝術------------------------------------------------------------56 一、科學與藝術的美學-----------------------------------------------------------------57 二、兩種文化的消解與融合-----------------------------------------------------------61 第二節分子藝術創作-------------------------------------------------------------------------63 一、1951年「英國國家藝術節」-----------------------------------------------------63 二、1958年比利時布魯塞爾世界博覽會 ------------------------------------------68 三、2008年「從原子到圖案」展覽 -----------------------------------------------71 第三節「分子美學論壇」----------------------------------------------------------74 一、分子美學定義------------------------------------------------------------------------75 二、分子美學表現形式------------------------------------------------------------------75 三、二十世紀和二十一世紀的分子美學------------------------------------------100. 第四章分子結構的藝術與設計 --------------------------------------------------113 第一節造形結構 -----------------------------------------------------------------------------116 一、單球體 -------------------------------------------------------------------------------116 二、雙球體 -------------------------------------------------------------------------------119 三、多球體 -------------------------------------------------------------------------------123 四、自由體 -------------------------------------------------------------------------------125 第二節創作形式-------------------------------------------------------------------------------127 一、人物系列-----------------------------------------------------------------------------127 二、動物系列-----------------------------------------------------------------------------129 三、環境植物系列-----------------------------------------------------------------------131 四、故事繪本系列-----------------------------------------------------------------------133 五、立體造形系列-----------------------------------------------------------------------138 vi.

(8) 六、數位影像系列-----------------------------------------------------------------------140 七、互動學習系列----------------------------------------------------------------------141 第三節創作方法與技巧 -------------------------------------------------------------------143 一、傳統手繪 ---------------------------------------------------------------------------143 二、2D軟體繪圖-------------------------------------------------------------------------145 三、3D軟體繪圖-------------------------------------------------------------------------147 四、影音軟體創作----------------------------------------------------------------------149 第四節創作歷程------------------------------------------------------------------------------151 一、分子圖像啟蒙----------------------------------------------------------------------151 二、分子圖像應用----------------------------------------------------------------------152 三、分子圖像形變----------------------------------------------------------------------156 四、分子圖像未來----------------------------------------------------------------------158 本章小結 -------------------------------------------------------------------------------------------162. 第五章看見看不見的分子------------------------------------------------------------164 第一節分子邏輯與思考 -------------------------------------------------------------------166 第二節分子的美感---------------------------------------------------------------------------172 一、顯微鏡下的分子造形 -----------------------------------------------------------173 二、分子顯像的意義-------------------------------------------------------------------177 第三節微觀與巨觀的突現 ----------------------------------------------------------------180 一、看得見的整體與看不見的個體------------------------------------------------182 二、複雜與簡約--------------------------------------------------------------------------184. 第六章結論與建議---------------------------------------------------------------------------186 第一節研究結論 -----------------------------------------------------------------------------186 第二節創作研究省思與建議 -------------------------------------------------------------189 一、創作研究心得 ---------------------------------------------------------------------190 二、研究省思 ---------------------------------------------------------------------------192 三、研究展望與建議 -----------------------------------------------------------------193. vii.

(9) 參考文獻-----------------------------------------------------------------------------------------197 一、中文部分--------------------------------------------------------------------------------------197 二、外文部分--------------------------------------------------------------------------------------199 三、網路媒體資源 ------------------------------------------------------------------------------203. viii.

(10) 表目錄表 2-1-1：分子結構主要類型---------------------------------------------------------------------------------25 表 3-3-1：二十、二十一世紀的當代分子美學藝術家-----------------------------------------------100. ix.

(11) 圖目錄圖 2-1-1：Roth 於 1993 年柏林展覽海報「分子美學」-----------------------------------------------14 圖 2-1-2：Karplus 及 Warshel 的二苯己三烯(1,6-Diphenyl-13, 5-hexatriene)分子模型-----------15 圖 2-1-3：Karplus 及 Warshel 多肽鏈分子結構的簡化-------------------------------------------------16 圖 2-1-4：原子內的電子與原子核--------------------------------------------------------------------------17 圖 2-1-5：原子到混合物的組成關係----------------------------------------------------------------17 圖 2-1-6：「克卜勒推想」球體堆疊-----------------------------------------------------------------------19 圖 2-1-7：Couper 的分子結構圖---------------------------------------------------------------------20 圖 2-1-8：Loschmidt 的乙烯與乙炔的分子結構圖----------------------------------------------------20 圖 2-1-9：Brown 的「同分異構化合物的理論」論文中所展示的結構式------------------------21 圖 2-1-10：Kekulé的苯分子結構---------------------------------------------------------------------------21 圖 2-1-11：Thomson 原子的「葡萄乾蛋糕模型」------------------------------------------------------21 圖 2-1-12：Bohr 所畫的原子中的電子運動模型--------------------------------------------------------22 圖 2-1-13：以「路以士結構」畫出的 NO 2 分子式-----------------------------------------------------22 圖 2-1-14：Lewis「立方體原子模型」手繪圖----------------------------------------------------------23 圖 2-1-15：「伯曼/盧卡斯模型」--------------------------------------------------------------------------23 圖 2-1-16：分子結構的主要七種形狀--------------------------------------------------------------------25 圖 2-1-17：Hofmann 的甲烷分子模型---------------------------------------------------------------------27 圖 2-1-18：Kekulé的苯的分子結構模型------------------------------------------------------------------27 圖 2-1-19：Bernal 和他的水分子模型---------------------------------------------------------------------28 圖 2-1-20：Crick 和 Watson 的 DNA 分子模型----------------------------------------------------------28 圖 2-1-21：Pauling 的 DNA 模型---------------------------------------------------------------------------28 圖 2-1-22：富勒烯球的結構及藝術家衍生的變化創作-----------------------------------------------30 圖 2-1-23：2002 年「科學人」雜誌封面及內頁插圖-------------------------------------------------31 圖 2-1-24：金氏紀錄世界上最小的洞--------------------------------------------------------------------34 x.

(12) 圖 2-1-25：Heckl「微笑的鯊魚」-----------------------------------------------------------------------------35 圖 3-2-1：「英國國家藝術節」的科學展入口設計---------------------------------------------------64 圖 3-2-2：「英國國家藝術節」展場外觀圍牆「分子算盤」----------------------------------------64 圖 3-2-3：「英國國家藝術節」四種元素----------------------------------------------------------------65 圖 3-2-4：玻璃設計 (魚眼礦石 Apophyllite 8.30)-------------------------------------------------------65 圖 3-2-5：壁紙設計 (尼龍 Nylon 8.54)-------------------------------------------------------------------65 圖 3-2-6：領帶設計 (布料)----------------------------------------------------------------------------------66 圖 3-2-7：蕾絲布設計 (魚眼礦石 Apophyllite 8.30)---------------------------------------------------66 圖 3-2-8：各種材質的創作-----------------------------------=-----------------------------------------------66 圖 3-2-9：Regatta Restaurant 入口招牌設計--------------------------------------------------------------67 圖 3-2-10：Regatta Restaurant 的室內設計----------------------------------------------------------------67 圖 3-2-11：Regatta Restaurant 菜單設計------------------------------------------------------------------67 圖 3-2-12：Regatta Restaurant 的地毯設計--------------------------------------------------------------68 圖 3-2-13：原子球塔的外觀 (日景與夜景) ------------------------------------------------------------68 圖 3-2-14：原子球塔的設計草圖----------------------------------------------------------------------69 圖 3-2-15：原子球塔的內觀--------------------------------------------------------------------------------70 圖 3-2-16：以原子球塔主題設計的用品-----------------------------------------------------------------70 圖 3-2-17：矽鈣石(Afwillite) 8.45 分子結構的影像與創作------------------------------------------71 圖 3-2-18：分子結晶的磁盤設計--------------------------------------------------------------------------72 圖 3-2-19：硼酸( Boric Acid) 壁紙設計-----------------------------------------------------------------72 圖 3-2-20：氫氧化鋅(Zinc Hydroxide 8.39) 磁磚牆----------------------------------------------------73 圖 3-2-21：馬的高鐵血紅蛋白圖設計成布料-----------------------------------------------------------73 圖 3-2-22：高鐵血紅蛋白設計成蕾絲布料-------------------------------------------------------------73 圖 3-2-23：胰島素結構圖及依其圖案設計出的壁紙------------------------------------------------73 圖 3-3-1：Kroto 與他發現的富勒烯球模型--------------------------------------------------------------76 圖 3-3-2：Kroto 的平面設計作品---------------------------------------------------------------------------76 xi.

(13) 圖 3-3-3：Davis 的 DNA Molecule 展覽--------------------------------------------------------------77 圖 3-3-4：Geis 的血紅素分子結構-------------------------------------------------------------------78 圖 3-3-5：Geis 的肌紅蛋白分子結構----------------------------------------------------------------78 圖 3-3-6：Richardson 的蛋白質緞帶圖形-------------------------------------------------------------78 圖 3-3-7：Miller 的蛋白質 224 號---------------------------------------------------------------------79 圖 3-3-8：Goodsell 大腸桿菌繪圖--------------------------------------------------------------------79 圖 3-3-9：Hope 汽球分子猴遇見奈米管狀蛾----------------------------------------------------------80 圖 3-3-10：Hope 3D 列印分子模型展--------------------------------------------------------------------80 圖 3-3-11：Mosso 作品---------------------------------------------------------------------------------------81 圖 3-3-12：Snelson 的原子雕塑系列作品----------------------------------------------------------------82 圖 3-3-13：Snelson 的富勒烯(C 60 )影像創作-----------------------------------------------------------82 圖 3-3-14：Snelson 龍---------------------------------------------------------------------------------------82 圖 3-3-15：Roth 的「扭轉體」(Twistan) 銅雕----------------------------------------------------------83 圖 3-3-16：Roth 水分子團-------------------------------------------------------------------------------------83 圖 3-3-17：Roth 卟吩的變形 (Porphin Metamorphosis)-----------------------------------------------------84 圖 3-3-18：Gormley 蒼天 III，雕塑，2009------------------------------------------------------------------84 圖 3-3-19：Gormley 蒼天 IV，雕塑，2010------------------------------------------------------------------85 圖 3-3-20：Gormley 三個異星體，雕塑，2008--------------------------------------------------------------85 圖 3-3-21：Gormley 孔 XI，雕塑，2010-----------------------------------------------------------------------85 圖 3-3-22：Puzio(左)原子圈，2002 (右)細胞網眼，2002----------------------------------------------------86 圖 3-3-23：Puzio 盾牌(Placoid)，2011--------------------------------------------------------------------------86 圖 3-3-24：Puzio 島上涼亭 (Island Arbor)，2013--------------------------------------------------------87 圖 3-3-25：Shawcross 盲目的美感，2011---------------------------------------------------------------------87 圖 3-3-26：Shawcross 格狀塊系列------------------------------------------------------------------------------88 圖 3-3-27：Shawcross 空間棋盤三螺旋(Space Tesselation)，2005---------------------------------------88 圖 3-3-28：Shawcross 分數(Fraction)，2010-------------------------------------------------------------------88 xii.

(14) 圖 3-3-29：Young & Giroux 富勒烯球，玩具與雕塑，2003-----------------------------------------89 圖 3-3-30：Young & Giroux 史密司先生(Mr. Smith) ，2011----------------------------------------89 圖 3-3-31：Cuneaz 上帝的粒子，3D 動畫，數位印刷，2009----------------------------------------90 圖 3-3-32：Cuneaz 奈米球(Nanocluster)，雕塑，2009----------------------------------------------------90 圖 3-3-33：Cuneaz 鳥群與奈米粒子(Flock of birds and Nanoparticles)-------------------------------90 圖 3-3-34：Fruk &Lintermann「二十三個改變世界的分子」3D 互動影片，2011-------------------91 圖 3-3-35：Mikami 透過眼睛追蹤的分子資訊-------------------------------------------------------------------91 圖 3-3-36：Clark 分裂原子多媒體互動展示---------------------------------------------------------------------92 圖 3-3-37：Clark 化學元素表系列作品，1999-2000-----------------------------------------------------------92 圖 3-3-38：Schult 生物動態景觀與士兵，1972-------------------------------------------------------------93 圖 3-3-39：Griffiths 身份分析，奧斯陸，2003-04---------------------------------------------------------93 圖 3-3-40：Helga Griffiths 嗅覺分析，2012------------------------------------------------------------------94 圖 3-3-41：分子振動光譜----------------------------------------------------------------------------------------95 圖 3-3-42：分子音樂產生的過程------------------------------------------------------------------------------95 圖 3-3-43：Roth「生命之歌」----------------------------------------------------------------------------------96 圖 3-3-44：Roth：「生命之音」------------------------------------------------------------------------------96 圖 3-3-45：danceroom Spectroscopy 的運作模式------------------------------------------------------------98 圖 3-3-46：danceroom Spectroscopy 的舞蹈劇場------------------------------------------------------------98 圖 3-3-47：舞者的能量場域操控原子動能形成超粒子-------------------------------------------------------98 圖 3-3-48：Berry 的動畫作品「細胞複製」與「細胞自毀」---------------------------------------------99 圖 3-3-49：Iwasa 的動畫作品「脂肪酸氣泡的形成」--------------------------------------------------------99 圖 3-3-50：Olson & Bloch「小兒痲痺病毒」--------------------------------------------------------------------99 圖 4-1：以路以士結構為概念設計的「分子美學空間的探索與創作」結構圖-------------------115 圖 4-1-1：單球結構圖----------------------------------------------------------------------------------------------116 圖 4-1-2：單球體分解圖-------------------------------------------------------------------------------------------117 圖 4-1-3：單球體動物草圖--------------------------------------------------------------------------------------118 xiii.

(15) 圖 4-1-4：各種動物、昆蟲色稿---------------------------------------------------------------------------118 圖 4-1-5：真實河馬與分子結構河馬造形差異--------------------------------------------------------119 圖 4-1-6：雙球(人體)結構圖--------------------------------------------------------------------------------119 圖 4-1-7：雙球體分解圖-------------------------------------------------------------------------------------119 圖 4-1-8：雙球體人物草圖----------------------------------------------------------------------------------120 圖 4-1-9：雙球人物造形－大提琴手、小提琴家、吉他手、低音大提琴手、長笛手-----------120 圖 4-1-10：雙球人物造形－天才博士群像---------------------------------------------------------------121 圖 4-1-11：雙球(動物)結構圖------------------------------------------------------------------------------122 圖 4-1-12：各種雙球體動物草圖---------------------------------------------------------------------------122 圖 4-1-13：各種雙球體動物色稿-------------------------------------------------------------------------123 圖 4-1-14：單、雙球體動物比較-------------------------------------------------------------------------123 圖 4-1-15：各種多球體動物草圖---------------------------------------------------------------------------124 圖 4-1-16：多球體線形動物－金龍與毛毛蟲------------------------------------------------------------124 圖 4-1-17：分子文字系列---------------------------------------------------------------------------------126 圖 4-1-18：分子結構創作--------------------------------------------------------------------------------126 圖 4-2-1：人物造形創作草圖--------------------------------------------------------------------------128 圖 4-2-2：「資訊人」---------------------------------------------------------------------------------128 圖 4-2-3：CAS 人物造形------------------------------------------------------------------------------------128 圖 4-2-4：「讀書青年」-------------------------------------------------------------------------------------129 圖 4-2-5：「四喜人」人物造形創作海報---------------------------------------------------------------129 圖 4-2-6：各種昆蟲造形創作------------------------------------------------------------------------------130 圖 4-2-7：各種動物造形創作草圖------------------------------------------------------------------------131 圖 4-2-8：環境與植物造形創作----------------------------------------------------------------------------132 圖 4-2-9：櫻花樹造形創作----------------------------------------------------------------------------------133 圖 4-2-10：名畫系列：馬奈《草地上的午餐》、米勒《拾穗》-------------------------------------------134 圖 4-2-11：名畫系列：卡巴內爾《維納斯的誕生》、達文西《維特魯威人》-------------------------134 圖 4-2-12：名畫系列達利《蜜蜂的飛行》、格里奈瓦德《釘死於十字架的基督》、雅克·路易·大衛 xiv.

(16) 《跨越阿爾卑斯山聖伯納隘道的拿破崙》------------------------------------------------------134 圖 4-2-13：名畫系列：達文西《最後的晚餐》------------------------------------------------------135 圖 4-2-14：中國民間故事繪本造形變化圖---------------------------------------------------------------136 圖 4-2-15：西遊記繪本造形變化圖-----------------------------------------------------------------------137 圖 4-2-16：蜜蜂立體示意圖---------------------------------------------------------------------------------139 圖 4-2-17：螃蟹產品示意圖---------------------------------------------------------------------------------139 圖 4-2-18：利用 3ds Max 製作分子人跳舞動畫作品-------------------------------------------------140 圖 4-2-19：分子美學影片------------------------------------------------------------------------------------140 圖 4-2-20：「永」字海報與互動圖--------------------------------------------------------------------------141 圖 4-2-21：不鏽鋼作品可變換不同造形----------------------------------------------------------------142 圖 4-3-1：噴畫作品-------------------------------------------------------------------------------------------143 圖 4-3-2：噴畫與手繪作品比較---------------------------------------------------------------------------144 圖 4-3-3：馬奈《短笛手》、達文西《蒙娜麗莎》----------------------------------------------------144 圖 4-3-4：安格爾《泉》、福拉歌納德《讀書的少女》-----------------------------------------145 圖 4-3-5：2D Photoshop 軟體作品四幅--------------------------------------------------------------------147 圖 4-3-6：2D 作品轉為 3D 作品示意圖-----------------------------------------------------------------148 圖 4-3-7：3ds Max 作品--------------------------------------------------------------------------------------149 圖 4-3-8：利用 3ds Max 製作動畫作品------------------------------------------------------------------150 圖 4-4-1：1992 年朱宗慶打擊樂團公演海報「動物狂歡節」--------------------------------------152 圖 4-4-2：1996 年新加坡購物中心入口的大型立體長頸鹿----------------------------------------152 圖 4-4-3：西遊記繪本插圖----------------------------------------------------------------------------------153 圖 4-4-4：長頸鹿由平面作品演變至立體作品---------------------------------------------------------156 圖 4-4-5：分子結構作品衍生的產品創作－燭台、檯燈與糖果盒 ----------------------------------157 圖 4-4-6：由人物造形由平面作品演變至動畫作品--------------------------------------------------158 圖 4-4-7：3d Max 創作的作品「櫻花樹下」------------------------------------------------------159 圖 4-4-8：由分子概念衍生的平面作品---------------------------------------------------------------159 xv.

(17) 圖 4-4-9：由分子概念衍生的提盒包裝與家具設計作品--------------------------------------------160 圖 4-4-10：由分子結構概念衍生出的「音樂樹」造形與發展出的公共藝術作品------------160 圖 4-4-11：以 AE 軟體製作的分子美學動畫作品-------------------------------------------------161 圖 4-4-12：鳥類造形由平面作品演變至 3D 作品--------------------------------------------------162 圖 4-4-13：河馬平面與立體比較圖-------------------------------------------------------------------163 圖 5-1-1：布林運算式---------------------------------------------------------------------------------------167 圖 5-1-2：Game of Life 的各種發展型---------------------------------------------------------------------168 圖 5-1-3：由各種電腦程式依 Game of Life 邏輯發展出的各種圖形-------------------------------169 圖 5-1-4：Gosper 的「滑翔翼槍」圖形-----------------------------------------------------------------------169 圖 5-1-5：依 Game of Life 邏輯發展出的色塊圖-----------------------------------------------------------169 圖 5-1-6：Snelson「張拉整體性」的細胞編織原則---------------------------------------------------------170 圖 5-1-7：De Novo Molecular Design-------------------------------------------------------------------------171 圖 5-2-1：掃描隧道顯微鏡(STM)顯像的過程-------------------------------------------------------------175 圖 5-2-2：掃描隧道顯微鏡的英文及漢字文字創作------------------------------------------------------175 圖 5-2-3：「量子圍欄」掃描隧道顯微鏡所顯示出的 48 個鐵原子圖像--------------------------176 圖 5-2-4：史上最小的電影－「男孩與他的原子」-----------------------------------------------------176 圖 5-2-5：Toumey 奈米花束圖 (2013)-------------------------------------------------------------------------178 圖 5-3-1：Root-Bernstein 美學與科學的關係四面體 (2013)---------------------------------------------184 圖 6-2-1：以路以士結構為概念設計的「分子創作歷程」圖------------------------------------------190 圖 6-2-2：研究者受委託創作的禮盒包裝容器(2013)------------------------------------------------------194. xvi.

(18) 第一章緒論. 「生命基本上就是一項關於化學的事。」 ---James Watson(1962年諾貝爾醫學獎得主). 第一節研究動機與背景設計是解決或改善問題的手段，而平面設計是藉由視覺化的圖像或美學的能力與技術，處理傳播、行銷、推廣或形象的問題。針對設計問題所衍生出的「目的性」與設計結果的「實用性」，是研究者在從事設計創作時依據的準則。但在 1990 年 5 月距今二十五年前的一場會議，會中無意間信手塗鴉的一張「貓捉老鼠」即興圖像，讓研究者的創作方向不以商業「目的性」與「實用性」為主導，這個方向將研究者帶入了以分子為設計元素的創作領域。以圓球和圓柱體形成結構的草圖，繪製之初僅是覺得有趣，進一步以噴畫作成色稿後，經友人提醒這些圖與化學分子結構模型很相似，觸發了繼續延伸發展此類作品的靈感；於是，「分子結構」這個與平面設計領域完全不相關的名詞，開始成為研究者設計思考中重要的創意來源。其間，研究者努力創作以分子結構為元素的設計圖像，其中有動物、人物造形，也有連續性的故事創作，造形種類發展日趨複雜，設計之初尚不知為何而創作，只覺得這些作品很有趣，然而，瞬間腦中浮起一個疑問，0 與 1 這兩種如此簡單的元素，究竟能創作出多麼複雜、多少形態的造形出來？這個疑惑頓時成了創作的動力，於是「分子概念」成了設計作品的一個大方向。時序推進至 2000 年，這個動力再度變成疑惑，「做這些造形目的為何？創作這些作品有甚麼價值？」憑著過去的創作基礎，於是進入了研究所，想藉著更多的學術研究及文獻探索來解答自己的困惑；這段時期，「結構」的命題成為研究重點，此時，藉由學術的訓練，其實已經開挖了一條學術隧道的工程卻不自知。「分子結構」讓自己正視多年來的創作模態，其實是相當狹隘也不周全，這也是研究者會產生創作疑惑的 1.

(19) 原因；也因為「分子結構」的介入，必須接觸大量化學知識與論述，但與科學相關的論理從來不是做設計創作時的參考選項，於是，困惑再度轉為動力的引擎。之後，研究者於 2007 年進入博士班研究，繼續開挖這條隧道，其間不斷有誤入岐路的挫折，也有自我突破的喜悅，但更多時間則是陷入自我懷疑的迷惘，直到 2011 年得知德國舉辦「分子美學論壇」，並於 2013 年出版學術論文專刊，終於看到出現在這條研究隧道遠端的微弱亮光，藉由這條線索的延伸探尋，原來歐美早已有學者專家在研究分子構造的藝術潛力，雖然尚未形成顯學，但已獨成一格漸成風潮，在許多當代「科學+美學」創作者的推波助瀾下，原本領域互不重疊的科學與藝術美學，可以同台相提並論、切磋交流，由此可看到「分子美學」的無窮潛力。科學的本質在窮理究因，千百年來，人類不斷探究組成宇宙的基本元素為何，希臘的 Democritus(460-370B.C.)早在西元前五世紀就提出世界分成兩部份的理論，一部分是實與空(fullness and emptiness)，另一部份是真空(vacuum)，而實的部分所有物質都是由最小的粒子－「原子」所組成(希臘原文 atomoa，意思為不可再分割），而他提出的原子說也奠定未來科學家們發展原子論的基礎。一般認為 137 億年前的大爆炸(Big Bang)是宇宙形成的開始，就在它產生無限能量的時候，原子和分子也就形成，這些小粒子就漸漸凝聚形成雲河系和行星系，地球就是如此形成，直到 40 億年前地球的環境開始有可以形成生命的基礎：碳、氧、氫、氮等元素產生，37 億年前這些簡單的化學元素開始組成可以生存、複製、演化成較複雜的分子組合(molecular assembly)，生命於是就開始並持續演化…1962 年諾貝爾醫學獎得主 Watson 說：「生命基本上就是一項關於化學的事」。 1858 年蘇格蘭化學家 Couper 提出原子可以原子價(valence)連結的觀念；1860 年德國有機化學家 Hofmann 做出實體分子模型；l866 年，德國化學家 Kekulé 用「球與棒」(ball and stick)的概念顯示分子結構。1970 年代 Karplus、Levitt 及 Warshel 三位分子化學家，他們的發明則是讓化學家可以從靜態建構分子模型的方式，演 2.

(20) 進到利用電腦檢視用肉眼無法看到的化學過程的細部運作，使化學的神祕路徑得以現形，這項科技被視為二十一世紀化學研究領域的轉捩點，者三位科學家也因此獲得 2013 年諾貝爾化學獎。通過科學家的「眼睛」，原本看不見的分子，如今可以具象清晰展現在世人眼前，讓人類看見更多原本看不到的可能。然而，科學的發展僅是依靠先進的科技嗎？美國化學家 Lipscomb1(1982)認為科學家也需要有創意，他覺得他自己的研究過程與藝術家的思考方式並無太大不同，「我絕對不會把美學和科學分開。經過多年的研究我了解到化學領域和之前想像的不太一樣，而過程中的焦點則在知性與感性方面強烈的一種美學反應。」面對肉眼無法看到的分子層次，科學家們仰賴美學表現的創意思考照亮了研究之路，如同藝術大師 Klee 所說：「繪畫的目的並非是為了重製看得見的物件，而是要把它變成看得見。」 (L’art ne reproduit pas le visible. Il rend visible.) 藝術家也和科學家一樣，他們看到一般人看不到卻隱藏在物質背後的情感和顯現在事物裡面的結構，在肉眼看不到的世界裡，有著更多等待被看到的真實，而具創意的想像力就是開啟未知之門的鎖鑰，視覺創作正是這個具體的表現形式。藝術家描繪、感懷自然以抒發人類的情感，科學家研究、詮釋自然以滿足人類的好奇心，二者都在可見的世界中尋找不可見的未來。身為設計師，研究者與科學領域從未有淵源，只因偶然間借用了科學元素成為創作素材，想不到分子科學啟發出更多的創作靈感。研究者的分子美學研究並不是全球首創，但在華文世界研究的人卻尚未有聞(以「分子美學」搜尋網路，除了研究者的著作外，迄今並無相關論述)，希望藉由在科學與藝術界的先行者們所提出的理論與創作的啟發，提出個人的創作理論與成果，對國內分子美學的研究有拋磚引玉之用，更對分子美學的國際研究領域有所貢獻，並激盪出更多的發展空間與可能性。. -----------------------------------------------1. Willaim Lipscomb (1919-2011)，美國化學家，他因研究硼烷分子結構而獲得 1976 年諾貝爾化學獎。 3.

(21) 第二節研究問題與目的對大部份從事藝術相關工作的人而言，科學這門學科一直就是一個深不可測的領域，一般人並不容易了解科學家們在實驗室裡做的事，但隨著科普教育的發展，越來越多的科學家開始以較平易近人的方式來和大眾溝通科學的概念，他們使用一般人看得懂的符號、圖像、模型來傳達研究的內容，而人文社會學家也同時研究如何以文化社會學的觀點來接觸科學這門學問，在這個互動溝通的過程中，「視覺化」(visualization)扮演著很重要的角色，主要是因為圖像本身對非專業的人士而言，是較容易且有效的溝通方式。於是，視覺化在科技社會領域中，逐漸變成一項重要的議題，也扮演文化發展中一個高動能的因素。牛津大學藝術史教授、達文西權威專家 Kemp(2006)在他的《Seen / Unseen：Art, Science, and Intuition from Leonardo to the Hubble Telescope》一書中提到：「藝術與科學開始互動，必須先擺脫各自原先的思考立場與知識，而視覺上的直覺是我們探索未知世界的最有效的工具之一。」科學家用顯微鏡、望遠鏡、聲納等各種儀器工具去探索他們看不到的世界，藝術家則用想像力、畫筆等工具，二者都使用一種直覺去感受自然界中的基本結構。只有頭腦「看得到」的事物才能成為藝術家的「材料」，「看」是為了讓我們獲取關於這個世界的知識，視覺是獲得知識最有效的方法，我們的眼睛一般會選擇我們想要看到的。野獸派藝術的代表人物 Matisse 曾說：「視覺化是一種創造的過程，需要精心努力才得以完成。」法國哲學家 Merleau-Ponty 也定義藝術為具「暗示性邏輯的察覺世界」，分子美學的思維可以提供科學界與藝術界視覺表現的另一種可能性。. 4.

(22) 1962 年諾貝爾化學獎得主 Perutz2(2009)以研究血紅蛋白(haemoglobin)的分子結構聞名，Perutz 在他的著作《Protein Structure：New Approaches to Disease and Therapy》序言中提到：最開始的蛋白質結構顯現出大自然界中奧妙的新臉孔，雖然這些新面孔並無法治療我們要研究的疾病，但當急之務是「視覺化」這些新臉孔，而不是急著以數學公式或化學程式把它們計算出來。Perutz 認為這些公式會把學生嚇跑，反之，將這些結構轉換成圖像式的內容，讓它們比較容易被理解，顯然更為重要。如今科技進步，3D 的分子模型已成為醫學上中要的工具，它可以協助科學家抑制不良蛋白質對身體造成的負面影響。最驚人的是這些結構可以形成它們自己的「風格」，這種視覺上的風格就如同歷史學家可以從雕塑作品上推敲出它的創作年份，形成這種視覺風格的元素包含：物質成份、顏色、紋理、尺寸和形狀的語彙等。而研究者的分子美學創作，基本上也必須先將看不見的分子，依科學家們所提出來的結構、模型等可理解的方式加以視覺化後，再執行設計創作，並進一步發展出分子結構的美感與藝術性。綜合以上論述，本論文的主要研究問題如下：一、藝術與科學「接觸」的歷史背景與後續互動、發展的過程為何？二、分子結構成為設計領域創作題材的潛力及發展空間為何？三、美學與科學之間互相交流借鏡並發展成一門「分子美學」的前景為何？. -----------------------------------------------2. Max F. Perutz(1914-2002)，奧地利裔的英國生物學家，他和他的學生 Kendrew 是 1962 年諾貝爾化學獎得主，他們以研究血紅蛋白(haemoglobin)的分子結構而得獎，Perutz 進入血紅蛋白研究的領域導源於 1937 年間他和捷克的化學家 Haurowitz 在布拉格的談話討論，同時期他結交的另兩位分子生物學家 Bernal 及結晶學專家 Fankuchen 則教導他如何使用 X 光攝影，1938 年他們三人在自. 然期刊(Nature, 141, 1983)中共同發表了一篇關於 X 光衍射血紅蛋白及糜蛋白酶(chymotrypsin)結晶體的論文。. 5.

(23) 2011 年在德國 Karlsruhe 所舉辦的「分子美學論壇」 (Molecular Aesthetics Symposium)對研究者而言，是一項跨越研究領域的驚喜，也讓研究者更確認分子美學已蔚為一門新興的學術領域，這場由德國 Baden Württemberg 科學部贊助，並由 Karlsruhe 市的媒體藝術中心、Stuttgart 市的非牟利團體基金會和 Karlsruhe 理工學院共同執行的論壇，是一個跨界的創舉，建立了分子科學與藝術發展之間的互動管道，這個論壇也為美學提出新定義，我們正處在一個「材料變革」(material revolution)的交界點，牽涉到所謂的奈米科技，這正是物質的「分子層面」發展，這些新發現改變了美學上的慣例，也是對本研究方向的一項國際級的背書。研究者的分子結構創作從 1990 年萌芽發展至今，在一系列的實驗創作中，發現無論平面、立體或影像的視覺化整體表現上，以球體與棒為基本元素的題材，都具有強烈且獨特的風格，無論在視覺創作或學術領域都尚有相當大的發揮空間。依據研究者的研究背景與動機和研究問題，本論文的研究目的如下：一、提出結合藝術與科學的「分子美學」創作新空間，並為美學提出另一種新思維。二、提出以分子結構為設計元素的平面、立體、影像動畫等創作的應用。三、首創華文社會裡以「分子美學」為設計創作發展的引介。. 6.

(24) 第三節研究範圍之界定本研究所選取的相關研究資料，主要為近二十年的出版品及期刊，而這段期間內分子美學相關的出版品寥寥無幾，直至 2011 年德國舉行「分子美學論壇」，於是該論壇的十七場演講內容及在 2013 年出版的論文集冊則成為本研究探討分子美學的主要資料來源。自 1951 年「英國國家藝術節」以降，直至 2011 年德國「分子美學論壇」為止，以分子概念為藍本的藝術創作與研究層出不窮，有些作品是一眼即能看出與分子結構相關的創作，更多是透過分子的概念、特性、衍生或聯想的創作，從中也讓人驚嘆分子美學領域的多元與潛力。但由於時間及空間上的種種限制，無法一一深入各領域探討，本研究將從分子的結構入手，著重在原子與共價鍵之間的關係；分子結構不僅是單純的實物模型呈現，更是具生產力的抽象的實體。現實生活中的富勒烯碳(C60)是一堆黑色的粉末，兩堆同樣是烏黑的粉狀物，要區別兩者間不同的物質特性，真正關鍵就在「結構」本身。德國 Karlsruhe 大學的教授 Schummer(2013：219)曾說：「…就是分子，也只有分子才可以，針對它美麗的主張與藝術的創意才可以被合理化，無論它所代表的物質的感官特性是什麼」。「結構」擁有的美學特質，與物質本身無關，本研究談到分子的美學時，是指視覺上的結構，雖然肉眼無法精確看見分子，但卻可以用分子的「結構」去理解它。本論文的研究與論述將針對「結構」的理論作系列性的探討，從中去理解「結構」在分子美學中的定位與意義。並從諸多分子美學創作中發掘解析藝術家如何處理「結構」？如何賦予「結構」新的生命？更重要的是如何透過分子結構找到更多的藝術創作的可能性。本研究中的藝術與設計創作則是透過研究「結構」所歸納分類後的作品，這些作品有早期對「結構」淺顯認知的創作，也有深入理解「結構」後的實驗之作，這些分子結構作品分別從「造形結構」、「創作形式」、「創作方法與技巧」、 7.

(25) 「創作歷程」等四方面分析創作內容；「造形結構」包含單球體、雙球體、多球體與自由體；「創作形式」則分人物系列、動物系列、環境植物系列、故事繪本系列、立體造形系列、數位影像及互動學習系列七個部分；「創作方法與技巧」主要有傳統手繪、電腦軟體(2D、3D)繪圖兩種技法及影音軟體創作，平面作品包括手工繪製(壓克力顏料與油彩)繪於畫布、噴筆技法噴繪於紙面、Adobe Photoshop 軟體繪製 2D 電腦作品，3D 立體影像作品則是使用 Autodesk3ds Max 及 Maya 軟體；立體實物作品製作材料則包括保麗龍、木材(扁柏與紅檜)、不鏽鋼、紙板等；創作歷程則分為分子圖像啟蒙、分子圖像應用、分子圖像形變、分子圖像未來等四個階段。. 8.

(26) 第四節研究方法與架構一、研究方法本研究的研究方法可分為：文獻分析、案例研究、比較研究、創作研究等四種方法。 (一)、文獻分析－蒐尋與「分子結構藝術創作」相關的文章與研究，統整歷史上提出原子、分子理論、結構造形與傳統美學的相關文獻；在此階段除了分子歷史與演進的文獻外，同時也藉著資料釐清分子圖像與分子美學的關係。從文獻分析得知，「分子美學」一詞係由英文“Molecular Aesthetics＂直譯而來，在本研究之前，中文網絡系統中尚未有與「分子美學」相關之研究論文或論述。通過文獻的整理，本研究也建立系統化的發展流程，讓「分子美學」的發展脈絡清晰與詳實。 (二)、案例研究－在文獻分析研究中發現與「分子美學」相關之創作案例可追溯至 1951 年「英國國家藝術節」，創作模態雖是以實用設計為導向，但明確以分子圖像為主題的設計創作，是能夠將其視為「分子美學」之濫觴；在超過一甲子的歲月中，西方世界已有許多具前瞻性的實驗創作問世，在案例研究中即是分析自 1951 年以來，以「分子概念」為主題的創作之不同屬性表現形，進而了解分子世界多樣性的微觀與巨觀面向。 (三)、比較研究－「分子美學」的研究，橫跨科學與藝術兩個領域，本研究試圖以比較科學與藝術領域中的分子結構論著與創作，從而了解科學家與藝術創作者二者思考模式的異同之處。同時，藉由早期與近期創作者的比較、不同藝術類別的比較，乃至研究者的創作型態與西方藝術家作品之比較，進而歸納出「分子美學」內容的梗概。 9.

(27) (四)、創作研究－由於中文網絡系統沒有「分子美學」相關之論述，遑論相關創作，為讓本研究能清晰完整交代「分子美學」這個由科學與藝術激盪撞出的豐碩成果，本研究不揣提出自行創作與研究的作品，共計 123 件，創作時間從 1990 年至 2015 年，跨越二十五年從各個面向與表現方式交相對應比較，透過具象作品實例、不同類型創作與成果應用，以利觀者能更精確掌握「分子美學」的要義。. 二、研究架構本研究第二章「分子科學與美學理論」屬文獻探討，首先探討分子科學的歷史與分子結構、模型的發展演進，其次再針對美學理論的歷史與發展加以分析，其間並分別闡述美學與自然、純粹美與依存美、突現的美感、簡化與完形心理、造形與仿生學等各面向；第三章則針對自 1951 年「英國國家藝術節」以降至 2011 年德國「分子美學論壇」這段期間的分子藝術創作發展整理歸類，並統整相關藝術家及其創作作品一覽表，以奠定第四章「分子結構的藝術與設計」研究者的創作理論與表現基礎。本研究的章節架構與研究流程整理如下頁研究架構，共計「緒論」、「分子科學與美學理論」、「從分子呈現到分子美學的應用發展」、「分子結構的藝術與設計」、「看見看不見的分子」、「結論與建議」等六個研究階段；同時，為呼應本研究的「分子結構」主題，研究者亦將研究架構流程以路以士分子結構圖表列於後。. 10.

(28) 研究章節架構. 緒論. 第一章. 第二章. 分子結構研究架構. 分子簡述視覺化. 分子主義. 分子科學與美學理論. 美學思維. +. 分子結構. 緒論. = 分子美學空間. 美學簡史美學與自然純粹美與依存美突現的美感簡化與完形造形與仿生. 第三章從分子呈現到分子美學的應用發展. 兩種文化. 美學. 分子藝術創作. 分子美學論壇. 英國國家藝術節. 分子美學定義. 比利時原子塔. 表現形式. 「從原子到圖案」展. 二十和二十一世紀的分. 科學與藝術的美學. 分子美學空間的探索與創作. 子美學. 第四章分子結構的藝術與設計. 創作形式. 造型結構單球體雙球體多球體自由體. 創作方法與技巧. 創作歷程. 人物動物環境植物. 傳統手繪 2D軟體. 分子圖像啟蒙. 故事繪本立體造形. 3D軟體繪圖. 分子圖像應用. 數位影像互動學習. 影音軟體. 分子圖像形變分子圖像可能. 看得見與看不見的分子. 巨觀與微觀的世界. 第五章看見看不見的分子. 分子美感. 分子邏輯與思考. 微觀與宏觀的突現. 顯微鏡下的分子. 看得見與看不見. 與其意義. 複雜與簡約. 第六章結論與建議結論. 研究發現與問題檢視 11. 後續研究建議.

(29) 研究章節架構 (以路以士分子結構圖表示). 12.

(30) 第二章分子科學與美學理論. 本章分別從「分子科學」與「美學理論」兩方面來探討本論文的文獻，第一節「分子科學」從原子論、分子簡史、分子結構、分子模型的演進、及分子結構的視覺化論述至近代科學家提出的「分子主義」(Moleculism)等各方面文獻，以探討在科學領域上有關分子的概念及相關理論的發展；第二節「美學理論」探討美學上的文獻，首先敘述美學的發展歷史，再探討突現理論及其美感，最後切入完形心理學及仿生學，探討其與設計美學上的關係。藉由本章的文獻探討可以提供第三章「從分子呈現到分子美學的應用發展」的分子美學發展依據，進而為第四章的「分子結構的藝術與設計」的探索與創作找到新的設計美學方向，並提出結合科學與藝術美學的新可能性，最後奠定第五章「看見看不見的分子」的分子思考基礎。美學 aesthetics 這個字來自希臘文的 aisthesis，它的原始意義是「感知、察覺」，它的定義從原指感官上的理論後來演變成藝術上的美學理論。科學原則上是超越「感知」而求證據的，傳統的美學是關於肉眼「看得見」的表面現象，而分子美學把我們帶到另一個「看不見」的境界，新的科技讓我們超越表面進入一個原本看不見的世界。德國學者 Weibel(2013)說，當從「巨觀」現象進入「微觀」現象時，我們發現「微觀」世界裡也有美學的現象，美學並沒有從「看得見」到「看不見」的過程中消失。在華文世界的研究文獻中尚未有「分子美學」相關論述出現，而在西方文獻中，「分子美學」這個名詞第一次出現於 1993 年的 International Congress Centrum Berlin(ICC Berlin)海報中，該海報係為宣傳德國藥劑師、大學教授及藝術創作者 Roth 所創作的五十六張圖像作品及二件雕塑品，該海報以「分子美學」為標題(以德文 Molekulare Ästhetik 呈現)，這是「分子美學」這個名詞在文獻中首次出現。. 13.

(31) 圖 2-1-1：Roth 於 1993 年柏林展覽海報「分子美學」資料來源：Weibel, 2013. 14.

(32) 第一節分子科學美國物理學家 Feynman (1963)在加州理工學院(California Institute of Technology) 舉行一系列對大學生的物理學演講中曾說：「如果現在地球因不明原因，將在極短時間內發生毀滅性的災難，此時你只能用一句話『概括人類有史以來所獲得最重要的科學知識』留給後代，那句話會是甚麼？」費曼自己認為他會留下的一句話是：「所有物質都是由原子構成的－原子是不停在運動的小粒子，當他們分開遠一點時，彼此間會有吸引力，但是非常靠近時卻又互相排斥。」 2013 年諾貝爾化學獎的桂冠頒給了 Karplus、Levitt 及 Warshel 三位分子化學家，得獎的重要理由是他們的發明讓化學家得以從靜態色球建構分子模型的方式，演進到利用電腦呈現，這讓化學的神祕路徑得以現形；過去的科學家在電腦上模擬化學分子結構時，使用的建構軟體若不是古典物理學，就是量子物理學為基礎，這兩種軟體各有優缺點，Karplus 等三人的研究則擷取兩者的長處，發展出古典物理學及量子物理學並用的研究方法，因此能進一步暸解化學運作的細部(圖 2-1-2、圖 2-1-3)，這個「於 1970 年代所發展的方法，讓化學家們檢視著用肉眼無法看到的複雜化學過程中之每一個小小的步驟。」(蔡蘊明，2013) 這項科技不但加速了醫學界新藥與新裝置的研發而造福人類，其研究主題也被視為是二十一世紀化學領域的轉捩點。. 圖 2-1-2：Karplus 及 Warshel 提出的 1,6-二苯-1,3,5-己三烯(1,6-Diphenyl-1,3,5-hexatriene)的分子對稱. 15.

(33) 圖 2-1-3：Karplus 及 Warshel 多肽鏈分子結構的簡化，自左上方簡化成右下方的簡單珍珠鍊上二圖資料來源：諾貝爾獎官方網站 http://www.nobelprize.org. 分子是化學中具有意義的最小單位，自古至今，科學家們持續在尋找分子結構的更貼切表達方式，物理學大師 Feynman 於 1963 年所說的名言及 2013 年諾貝爾獎頒給對分子結構模擬有貢獻的科學家，這些都說明了分子科學在人類歷史及生活上的重要性，也表示科學家們至今仍持續研究如何以更生動的形態來介紹分子。隨著電腦科技的進步，目前的分子結構已經發展至使用 3D 技術的立體影像，化學家們不僅能進行電腦演算，更可利用理論參數建立逼真的分子結構，並能夠模擬分子的運動狀態，利用動畫進行動態的研究，當代哈佛大學一群傑出的化學家甚至到好萊塢製片廠學習動畫技術，將分子模型及其運動拍成 3D 動畫的「分子電影」(molecular movies)，並開發一套名為 Molecular Maya (mMaya)的工具軟體，這套軟體可以製作各種分子結構的動畫，科學家將原本看不見的分子運作以更生動的方式展現在世人眼前，進而讓人類看見更多原本看不到的可能。. 一、分子簡述宇宙萬物都是由原子組成，而原子又組成分子，地球上和宇宙中的所有物質都是由我們目前已知的 118 個不同的元素構成，原子是這些元素的最小粒子，而分子是由數個原子結合在一起的原子團，它由複數的原子與共價鍵的短棒組合而成，如果說分子是單字，原子就是字母，雖然有極少時候單一字母可以成字，但 16.

(34) 大多數的字都是由數個字母以特定順序組合而成的(周慧中譯，2003：30)。原子事實上並非固定在某一個位置，而是在一個平衡距離附近來回運動，原子間吸力、斥力平衡，然後排列、結合成元素、化合物、混合物等，進而形成巨觀世界中的各種物體，最終再形成太陽系、銀河系，甚而整個宇宙。. 圖 2-1-4：原子內的電子與原子核資料來源：清華大學網頁 http://thnf-web.vm.nthu.edu.tw/teens/science/shows/nuclear/rad/1/1-3.html. 物理的基本粒子是原子，所有物資都是由原子構成，原子由位於中間的原子核與環繞的電子所組成，原子核又由中子和質子所組成，原子核帶正電，電子則帶負電，原子核和電子間產生靜電引力，因此造成原子的能量(圖 2-1-4)。原子由共價鍵串聯而形成分子，分子是具有物質特性的最小粒子，例如水分子仍具有水的特性，但若分解水分子成氫原子與氧原子，這兩種原子並不具備水的特性，所以我們說分子是具有物質特性的最小粒子。同一種原子構成化學元素，而不同的原子則會組成各種不同的化合物，圖 2-1-5 列出從原子到混合物的組成關係。. 電子質子. 原子. 元素. 分子. 化合物. 中子. 純物質. 混合物. 單一顆原子存在 → 原子. 同一種原子組成 → 元素. 同一種分子組成 → 純物質. 複數顆以上原子組成 → 分子. 不同種原子組成 → 化合物. 不同種分子組成 → 混合物. 圖2-1-5：原子到混合物的組成關係 17.

(35) 希臘哲學家Democritus(460-370B.C.)早在2,400年前就提出「世界和宇宙中的萬物都由看不見又不可分割的微小粒子構成」的哲思，他把這些粒子叫做「原子」(希臘原文atomoa，意思為不可分割的)，Democritus因此和他的老師Leucippus (480-420B.C.)被視為原子理論的奠基人，Democritus並被稱為「原子之父」。(蘭宜申譯，1998：8) 到了十七世紀，德國的天文學家暨數學家 Kepler(1571-1630)於 1611 年為他當時的贊助人 Wacker von Wackenfels 男爵寫了一本簡短的小冊子名為《新年禮物－六角雪花》( The Six-Cornered Flakes – A New Year Gift )，文中他除了發表對雪花六角形對稱性的描述外，更提出著名的「克卜勒推想」 (Kepler Conjecture)，他認為要在三度空間中堆積大小相同的球體，最節省空間方法就金字塔形的堆疊方式，這也就是後來人們所知道的最有效的球體填充方法(sphere packing)，而這個當初被視為「推想」的理論，到近代則由匹茲堡大學的 Hales 教授以「證明克卜勒推想」(A Proof of the Kepler Conjecture)的論文而得到證實。克卜勒的球體堆疊理論實際是源自克卜勒和英國的數學家 Hariot (或 Harriot)的通信中討論到的內容，Hariot 當時擔任 Raleigh 爵士的數學助理，正在研究球體的堆疊公式，以利實際運用到如何將軍火砲彈做最密集的堆藏裝載，這也是現代數學中關於球體及其堆疊的研究可追溯最早的英國科學家，這種原本是數學的球體堆疊，身為數學家的 Hariot 很自然地就導入平方和(sum of squares)理論，更進一步衍生出不同的粒子的可能堆疊配置圖解(圖 2-1-6)，他也被認為是英國最早提出原子論的數學家之一 (Hales, 2005)。. 18.

(36) 圖 2-1-6：「克卜勒推想」球體堆疊資料來源：Hales, 2005. 二、分子結構原子、分子的結構目前並無法以肉眼看見，我們所看到的這些微形粒子的模樣，主要來自科學實驗觀察的推論及數理的計算的結果，所謂的「分子結構」 (molecular structure)，係使用圖形理論 (graph theory)、電腦圖學(computer graphics)、數學運算等理論的抽象表示方法，並非分子真正的面貌。1803 年 Dalton (1766-1844) 提出「原子說」，認為一切物質都是由原子所組成，而原子是無法再分割的粒子，事實上，大部份的物質是以分子的形態存在；1858 年蘇格蘭化學家 Couper (1831-1892)和德國化學家 Kekulé (1829-1896) 同時提出碳原子可用碳鏈(carbon chains)來直接連結，兩位來自不同國家與背景的科學家卻不約而同提出類似的看法，Couper 並發表《新化學理論》(New Chemical Theory)，提出原子可以原子鍵 (valence)連結的觀念，這也是第一次碳鏈之間的連結是以線條 (line)來表示鍵結 (bond)的方式(圖 2-1-7)；1861 年奧地利的科學家 Loschmidt (1821-1895)出版了一本手冊，裡面記載著 270 種分子的結構，他的分子結構圖示很多是環狀的，而且也能表現雙鍵結與三鍵結的圖像(圖 2-1-8)；1861 年英國科學家 Brown (1838-1922) 在他的醫學論文「化合物的理論」(On the Theory of Chemical Combination)中將 19.

(37) Couper 的線鍵理論進一步修改成結構式(graphical formula) (圖 2-1-9)，這個結構式是 Brown 的創舉，也一直被科學家們沿用至今天的化學式；而 l 866 年，Kekulé 也成功地用「球與棒」(ball and stick)的顯示方式來圖示苯的分子結構(圖 2-1-10)； 1897 年英國的 Thomson (1856-1940) 提出著名的原子模型「葡萄乾蛋糕模型」(圖 2-1-11)，他認為電子就像西瓜籽或葡萄乾一樣均勻分布在原子之中，所以他的原子模型被稱為「葡萄乾蛋糕模型」，他繪出的原子為一個球形，裡面充滿了正電荷，而電子則帶負電荷。. 圖 2-1-7：Couper 的分子結構圖資料來源：http://chemistrymapofscotland.org/records/cmos10.pdf. ethylene H2C=CH2. acetylene HC≣CH. 圖 2-1-8：Loschmidt 於 1861 年提出的乙烯與乙炔的分子結構圖，分別表示雙鍵結與三鍵結的圖像. 20.

(38) 的構化合物的理理論」論文中所所展示的結構構式圖 2-1-9：Brown 的「同分異構. 圖 2-1-10：Kekuléé的苯分子結構構資料料來源：http:///www.chemherritage.org/discoover/online-ressources/chemisstry-in-history//. 圖 2-1-11：Thomsson 原子的「葡萄乾蛋糕模模型」 http:///study.com/accademy/lesson//early-atomic-ttheory-dalton-tthompson-rutheerford-and-milllikan.html. 二十世紀紀初期，原子子核物理學之之父 Rutherrford(1871-11937) 於 19911 年證實了了在原子子的中心有有個原子核，進而建立立著名的「拉拉塞福模型型」(Rutherfoord Model)，提 21.

(39) 出電子像行星圍繞原子核旋轉的圖像；拉塞福的學生 Bohr (1885-1962)於 1913 年提出「波耳模型」，提出原子中的電子圍繞原子核做圓周運動(圖 2-1-12)，他於 1963 年進一步提出「原子與分子的組成」(The Constitution of Atoms and Molecules)論文，探討原子與分子的組織結構；而「分子的共價及共價鏈」(covalent bond) 這個突破性的發現，則由美國物理化學家 Lewis (1875-1946)提出(圖 2-1-13)，他同時於 1902 年提出「立方體原子模型」(cubical atoms)的概念(圖 2-1-14)；1916 年，Lewis 於「原子與分子」（The Atom and the Molecule）的文章中，開始使用路以士結構（Lewis structures）來表示分子中的原子鍵結及孤對電子，以線條表示原子間的共用電子對，以電子點表示孤對電子，當共用電子為一對時以單線表示，兩對時以雙線表示，路以士結結構顯示出分子結構中毎一個原子的相對位置，原子間以線連結（也可用一對點表示），多出來的孤對電子則以成對的點形式畫在原子旁； 1929 年，法國科學家 de Broglie (1892-1987)因發現了電子的波動性及對量子理論的研究而獲諾貝爾物理學獎。. 圖 2-1-12：Bohr 使用來說明原子中的電子運動模型資料來源：Niels Bohr Institute http://www.nbi.ku.dk/english/www/niels/bohr/kernefysik/. 圖 2-1-13：以路以士結構畫出的 NO2 分子式，黑點表示原子中的電子資料來源：http://imgarcade.com/1/lewis-structure-for-no2/. 22.

(40) 圖 2-1-14：Lewis「立方體原子模型」手繪圖 (1902 年) 資料來源： http://www.chemheritage.org/discover/online-resources/chemistry-in-history/themes/molecular-synthesis-stru cture-and-bonding/lewis.aspx). 上述十九、二十世紀的這些科學家的原子結構概念大都是以 Bohr 於 1913 年提出的電子圍繞著原子核的模式為主，二十世紀末期，美國的物理學家 Lucas 和 Bergman 則於 1990 年提出次原子粒(subatomic particle)變成環狀的原子模型，被稱為「伯曼/盧卡斯模型」(Bergman/Lucas Model) (圖 2-1-15)，這是近代相當成功的模型，它預測了電子殼及原子核中電子及質的大約位置。. 圖 2-1-15：「伯曼/盧卡斯模型」，次原子粒(subatomic particle)變成環狀. 分子結構用以描述分子中原子的三維排列方式，分子結構涉及原子在空間中的位置，也和鍵結的化學鍵種類有關，包括鍵長、鍵角及相鄰三個鍵之間的二面 23.

(41) 角。分子中的原子是由共價鍵或/和離子鍵連結起來的，共價鍵包括單鍵、雙鍵、叄鍵等，分子的形狀可以由鍵長、鍵角和二面角這些參數來決定。一般而言，分子結構形狀可以分成七種基本的類型(圖 2-1-16)： ●. 直線型：所有原子處在一直線上，共價鍵的角度為 180°，例如二氧化碳(CO2)、. 氟化鈹(BeF2)等。 ●. 角型：兩條共價鍵連接三個原子，三個原子並非直線排列，二氧化氮(NO2)、(。. ●. 平面三角型：所有原子處在同一個平面上，圍繞週邊的三個原子位於等距離的. 位置，三條共價鍵的角度均為 120°，例如三氯化硼(BCl3)、三氟化硼 (BF3)等。 ●. 四面體型：四顆環繞的原子位於四面體的四個頂點，例如甲烷(CH4)、四氧化. 氙（XeO4），它的鍵角為 109.5°，化學元素週期表中有許多元素的化合物都是四面體形分子。 ●. 八面體型：六個週邊原子處在八面體的六個頂點，中心原子位於四面體中心，. 共價鍵(、六氯化磷(PCl6)等 ●. 三角錐型：一個原子位於三角錐的頂點處，另外三個原子形成三角錐的形狀，. 四面體型的一條鍵被孤對電子佔據，剩下三條鍵的形狀即是三角錐型，三角錐型的分子有 ●. 四角錐型：分子八面體型的一條鍵被孤對電子佔據，其餘五條鍵的形狀形成四. 角錐型，例如五氯化碘(ICl5)、五氟化溴(BrF5)等。. 24.

(42) 結構的主要七七種形狀資料料來源：Clarkk (2010) 圖 2-1-16：分子結. 表 2-1-1：分子結結構主要類型資料整理：楊勝雄. 分子子結構形狀狀類型. 形狀. 理想鍵角. 例子. 直線形. 180°. BeF2、CO2. 角形. 104.5°. H2O、. 平面三角形形. 120°. BCl3、BF3. 四面體形. 109.5°. CH4、XeO4. 八面體形. 90°、 180°. PCl6、SF6. 三角錐形. 107° 25. 圖示.

(43) 分子子結構形狀狀類型. 形狀. 四角錐形. 理想鍵角. 90° (844.8°)、 180°°. 例子. 圖示. ICl5、BrF5. 分子結構構的建立從最最初的分子子化學式書寫寫，發展至當當今先進的的電腦繪圖、3D 動畫畫等呈現方方式，無論表表現方式為何何，事實上上都不能完全全正確地表表現出這個複複雜的分分子微觀世世界，尤其是是有關電子荷荷的力場運運作，這些都都無法由模模型來說明；然而分分子結構模模型的進步確確實能讓人人類對我們自自己所處的的世界做出最最好的觀察察、思考與與前瞻。. 三、分子模型型的演進進分子結構構最早是以化化學結構的的方法呈現，以二度空間間的元素名名稱書寫成分分子式，，但科學家們們並不因此此滿足，他們們仍持續追追求研究更能能真實表達達分子存在的的方式，，相繼提出出原子、分子子模型的結結構。而德國國有機化學學家 Hofmannn (1818-1892)是第一一位推出實實體分子模型型的科學家家，Hofmannn 約在 18600 年前後，他在演講上上使用他他自己做的的分子模型(圖圖 2-1-17)，這個模型型最後演變成成今日的化化學基礎教材材的各種種立體教具具，現今化學學教育或實實驗室中所使使用的分子子立體教具具，幾乎都是是由 Hoffmann 的模型型演變而來來，Hofmann 在演講中中使用的立體體分子模型型，也成為分分子立體體教具的雛雛型；另一位位德國化學學家 Kekulé在在 l866 年也也用「球與與棒」的方式式組成苯苯的分子模模型(圖 2-1-118)；愛爾蘭蘭的結晶攝影影學家 Bernnal 則於 19930 年提出液液態水的的分子模型型，他使用不不同尺寸的的橡皮泥輻條條來連接球球體(圖 2-1-119)；1953 年美年國的的科學家 Crick 和 Wattson 兩人共共同製作了了 DNA 的分分子模型(圖圖 2-1-20)，他他們是以以鋁片及螺螺絲的方式搭搭建 DNA 模型，Crick 模 k 和 Watsonn 他兩人同時時也是 19662 年 26.