不傷地球不傷紙　雷射除墨新技術

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡，無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水，事實上，它可是宇宙中第三多的分子。

不過，時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費，是為了探索未知的星系或癌症的解藥，但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷，而是水分子雖然十分常見，但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得：「水的性質不是國中就都教過了嗎？」。不過就跟所有其他東西一樣，事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起，就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石，普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外，關於過冷（低於冰點卻不結冰）這種奇怪的現象，至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定，蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾，但對於水蒸發的速率，卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時，某些分子被撞出液態的水，因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目，但以往的許多結果卻時常出現分歧，差距高達三個數量級（也就是一千倍）！

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題，例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發（喝水一口都比 18 克還要多），就必須同時計算 6 × 10²³ 個水分子的狀態，以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題，需要一些相當進階的實驗與理論方法，而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外，就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構，兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格，所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說，原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關，相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 ^[1]。

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解，得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀，其中氧帶較多負電，氫帶較多正電，所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力，也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵，水才能夠組成上面提到的各式結構。

不過，用來解釋氫鍵的質子與電子，都是量子力學適用的尺度，而氫原子的嬌小身材，讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為，如果將量子效應納入水分子結構理論模型，或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期，史丹佛直線加速器中心（SLAC）的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測，從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱，作為探測的樣本。在這麼細的水柱中，每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動，實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」，利用電子束散射的結果，分析水分子每個瞬間的分子結構。

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度，而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時，氫原子會先將鄰近的氧原子拉近，再拉開距離，一切都在幾皮秒(10^-12 秒）內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪，研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬，他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型，為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門

以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換，而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵，在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量，也為科學家開啟更多的機會，去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水，我們還有許多不知道的事。也因為如此，網路上常常能看到「小分子團水」，「能量水」等等的健康廣告，讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行，或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料：

1. https://pansci.asia/archives/194118
2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water

台灣目前面臨數十年來最嚴重的乾旱危機，不過缺水的可不只有我們。此時此刻，全球共有十四億人口無法享有穩定的乾淨水源，也就是說每五個人之中就有一個人不時需要為用水所苦。這個比例在未來預計仍會持續增加。

雖說地球表面上有 70% 被水覆蓋，不過其中只有不到 3% 是淡水，其餘都需要經過一番功夫來取得或淨化，才能被進一步利用。再加上氣候變遷，人口成長等因素，使得原本珍貴的水資源更加稀少。在聯合國 2015 年公布的永續發展目標中，第六項便是「確保所有人都能享有水及衛生及其永續管理」。

因此，淨水技術的發展與優化，便成為重要的課題。部分地區的人民無法享受公共自來水的服務，也沒有錢或能源進行逆滲透等傳統淨水方法；他們需要的是輕便便宜的淨水裝置。

「光熱材料」面對熱能散失的瓶頸

其中一個解法是日光蒸發：利用陽光將水蒸發淨化。不過稍微想一下：即便是在最刺眼的陽光下，要將一小盆水蒸乾可能還是得花上一整天。因此只靠太陽輻射的「熱能」是不夠的，需要額外將太陽的「光能」轉為熱。執行這個任務的物質被稱為「光熱材料」。

如果將一片透氣的光熱材料放在水上，的確可以增加水接觸熱源的表面積，並蒐集到更多水氣，加快淨水效能。然而在這個過程中，許多熱能都散失到周遭空氣以及下方水體中。水的比熱又特別大，這麼做等於是將辛苦收集來的太陽能全部丟進水溝。因此，以往的光熱蒸餾法往往無法提供足夠的蒸發量，也不能解決實際的用水需求。

真心不騙，新蒸發器能源效率 100%！

由於傳統光熱蒸發器的效率低落，南澳州大學未來產業學院的徐浩蘭（Haolan Xu）教授開發出了新一代的 3D 光熱蒸發器。這款發明標榜：「能源效率　100%」。這可不是什麼內容農場的標題。特殊的 3D 設計讓它不只能完整運用所有太陽能，還能從外界環境偷取更多能量！

這種蒸發器長得並不起眼，像一大塊黑色的菜瓜布。這是因為黑色的光熱材料被製成了噴霧，噴在彈簧支撐的棉布纖維上。蒸發器的頂端負責吸收太陽能，轉換成熱能；同時，水分被吸收到纖維中，並在加熱之下從蒸發器的表面蒸發。

以上原理跟以往的光熱蒸發器沒什麼不同，這次發明的真正突破其實是直立於水上的立體結構，在新型設計中，立體結構擁有較大的側面面積，這些表面相對不會接收到那麼多陽光，卻能夠持續蒸發，排出熱能和水氣。由於水蒸發的過程會帶走相當可觀的熱量（所以雨後的空氣總是格外涼爽），這讓蒸發器不會一直升溫，而是會在「太陽加熱」和「蒸發散熱」兩者之間取得平衡。

也就是說，藉由增加水蒸發表面積，來增加水蒸發量，以提升水蒸發所需要的熱。由於水蒸發所需要的熱變多，但蒸發器從太陽吸收的熱並沒有變多，因此蒸發所需的熱只能從原本造成蒸發器溫度上升的熱來獲取！

而當蒸發所需要的熱，與蒸發器從太陽吸收的熱相等時，這時蒸發器的溫度就不會改變，而所有從太陽吸收的熱，就會全部用於水蒸發上，這就是前面提到 100% 能源效率。

當蒸發吸收的熱，大於陽光提供蒸發器時，這時蒸發器的溫度反而會因水蒸發而下降，熱甚至會從較高溫的水體與周遭空氣流進蒸發器！研究結果顯示，如果加上從周遭環境流入的熱能，這種蒸發器的能源效率直接破表，高達 178%。也就是說，除了原本的太陽光熱 100% 用於蒸發所需要的熱，環境的溫度差還會再額外提供 78% 的熱用於表面蒸發。

簡單設計為水資源危機帶來希望

徐浩蘭教授驕傲的表示，主動從外界汲取能量的光熱蒸發器是世界首創。有了這種技術的加持，蒸發器的效能大幅進步，來到每天每平方公尺 10 ~ 20 公升。此外，這個設計的造價低廉，材料也相對容易取得，不需要專業知識背景就能操作與維護。內部的彈簧讓整個裝置可以被壓縮收納，攜帶與架設都十分方便。

新一代的 3D 光熱蒸發器其實沒有用到什麼新奇的科學原理。其中使用的光熱材料和將其拿來淨水的想法，在幾年前便都已存在。但是透過結合既有材料，並針對需求加以設計，此次創舉或許能真正為缺乏水資源的家庭與社區帶來希望。若你想成為拯救世界的發明家，除了實驗室中的科學技術，更重要的或許是人的需求。

除了用來蒸餾飲用水，類似的技術還有很多可能的應用方向，例如工業廢水處理等等。徐浩蘭教授和他的團隊接下也會持續往這個方向發展，期許未來能為人類的水資源危機帶來更多創意十足的解方。

參考資料

1. Sunlight to solve the world’s clean water crisis
2. Gao, T., Wu, X., Wang, Y., Owens, G., & Xu, H. (2021). A Hollow and Compressible 3D Photothermal Evaporator for Highly Efficient Solar Steam Generation without Energy Loss. Solar RRL, 2100053.
3. Wang, Y., Wu, X., Yang, X., Owens, G., & Xu, H. (2020). Reversing heat conduction loss: Extracting energy from bulk water to enhance solar steam generation. Nano Energy, 78, 105269.

隨機性，在許多領域都扮演了不可或缺的角色。例如電腦信息的加密，還有模擬複雜物理系統等技術，都需要用到巨量的亂數資料。不過，這些隨機是怎麼來的呢？

當電腦計算 1+1 是多少時，它可以遵從既定的程序算出正確答案；但如果叫電腦隨便給你一個數字，它肯定不知道該怎麼辦。畢竟電腦不像人，可以隨便「想到」一個數字。電腦只能根據你的命令，算出你要的結果。

要得到「真正的隨機」並不如想像中簡單。當我們到廟裡擲筊，或是玩桌遊時丟骰子，得到的結果看似沒有規律，但其實不然。它們可以用簡單的電腦計算來預測，像是丟硬幣的結果，便早已被研究透徹。只要對初始條件有足夠良好的掌握（像是丟出的速度與角度等等），這類物品的行為都能用兩百年前確立的力學定律來精準預測，因此稱不上是「真正」的隨機；另外一個缺點在於，這類方法產生隨機結果的速度實在太慢，跟不上現代社會對於隨機資料的龐大需求。

至於使用電腦計算的結果呢？常見像是串流平台的隨機播放功能，以及粉專抽獎會用的亂數產生器，它們所呈現的隨機是演算法算出來的。隨機播放功能利用特殊的演算法，排列出一個讓你聽起來很隨興的歌單；一般的電腦亂數，只是將特定的「種子」數字丟進一個超複雜的算式，算出成串毫無規律的數字。這些方法雖然快速又實用，但終究是可以預期的。當亂數數量夠多時，往往可以發現某些規律；而可被預期的亂數若是用於加密或認證，便會成為駭客眼中的肥羊。

由量子世界尋求真正的隨機！

既然手邊的物品和電腦都不管用，科學家於是轉向微觀的量子世界。量子物理對世界的描述本身就是機率性的，因此物理學家可以從實際測量結果中汲取「正港的」隨機亂數。像是物質的放射性衰變或電路中的雜訊，都是常見的選項。這類過程雖然可以確保隨機性，但效率還是稍嫌太差，相關的實驗架設也相當費工。

不過就在今年二月，研究人員利用半導體雷射技術，打造出有史以來最快的亂數產生器：每秒 250 TB 的隨機位元，比先前的紀錄高出一百多倍。

雷射的產生牽涉到原子內的「電子躍遷」。在一般狀態下，大部分原子中的電子會按照高中化學課本中提到的「電子軌域」排列，這種排列方式稱為「基態」，代表原子中的所有電子，都處在最低能量狀態。

在原子接收一定的能量後，會有部分電子跳入高能量的軌域中，變成「激發態」，這時原子內的電子組態不穩定，電子會跳回低能量軌域中回到「基態」，並以光（輻射）的形式放出能量。

而這些跳回的電子，如果都從同一個激發態回到基態，就會釋放出特定「頻率」與「能量大小」的光，以愛因斯坦的說法，從相同的激發態回到基態，會得到固定的「光子」，這是舊量子論的重要發現之一。提供原子特定的能量，讓原子放出光子，就可以激發出雷射。

利用電子躍遷的隨機性

但這件事情跟隨機性有什麼關係呢？電子躍遷本身就是具有隨機性的。

要激發雷射，其實事情並沒有那麼簡單，需要克服這個機率性。讓我們回頭看上面的敘述，「『大部分』原子中的電子會按照……」、「在原子接收一定的能量後，『有部分』電子跳入高能量的軌域中」，這些「大部分」、「有部分」，使得我們就算給原子固定能量，也未必能平穩釋放出特定光子，讓雷射光的強弱不穩定，也不會朝同方向射出。

因此雷射技術的重點之一，就是「光學共振腔」，將激發光子的物質放在共振腔中，放出的光子會在共振腔中來回游走，再次激發原子放出更多的光子，來增強雷射強度，並讓雷射光往特定方向射出。

但是，「光學共振腔」強化雷射強度以及方向，但實際上雷射光的強度，仍然是由量子力學的隨機性所決定！如果我們能用感光元件捕捉雷射光線起伏不定的強度，再轉換為數位訊號，就能獲取珍貴且無法破解的隨機亂數。

蝴蝶結狀「光學共振腔」

這種想法雖有十幾年的歷史，不過由於技術上的限制，產率一直相當有限。而且一般方形共振腔產生的雷射，容易讓光強度陷入特定的規律，產生的隨機性也較低。為了解決這個問題，研究人員將共振腔的形狀改良為蝴蝶結狀。如此一來，在其中反彈的雷射光便能保有其當初紊亂的特性，且往特定方向射出。

隨機的雷射光源被 254 像素的高速攝影機拍下，每個像素受到的光強度也被證實為相互獨立，因此成就了 254 條同步生產線，一同產出隨機亂數，使效率遠遠勝過以往一次只能記錄一個像素的做法，創下每秒 250 TB 的紀錄。

現今電腦運作的時間尺度最快不超過幾 GHz，因此這次的 250 THz 創舉難以發揮全部的實力。如果犧牲一些效率，用較簡單的偵測裝置來取代高速攝影機，可以讓整個裝置變得更加輕巧，提升實用性。在不久的將來，史上最速的亂數產生機制，或許可以直接容納於單一晶片之上。

參考資料：

• Kim, K., Bittner, S., Zeng, Y., Guazzotti, S., Hess, O., Wang, Q. J., & Cao, H. (2021). Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser. Science, 371(6532), 948-952.
• https://www.nature.com/articles/d41586-021-00562-6
• https://cointelegraph.com/news/lack-of-randomness-why-hackers-love-it