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「暫態電子學」:生物相容電子裝置可在體內分解

only-perception
・2012/10/01 ・1697字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

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微小、完全生物相容、能在運作一段時間後,無害地「溶入」其周遭環境的電子裝置,已由 Tufts 大學生醫工程師與伊利諾大學香檳分校的研究者合作研發。

命名為「暫態電子學(transient electronics)」,這種新型的 silk-silicon(絲–矽)裝置,允諾新一代不再需要動手術移除的醫學移植物、環境監測器,以及能成為堆肥而非垃圾的消費性電子產品。

「這些裝置與傳統電子裝置南轅北轍,傳統電子裝置的積體電路被設計成具備長期的物理與電氣穩定性,」Fiorenzo Omenetto 說到。他Tufts 工學院的生醫工程教授,以及一篇論文的資深暨通訊作者,該論文題為<A Physically Transient Form of Silicon Electronics>,於 2012/09/28 發表在當期的 Science 上。

「相較於目前的裝置,暫態電子學提供強健的效能,不過在預先規定的時間內,其環境能將它們完全再吸收(resorb) — 從幾分鐘到幾年,視應用而定,」Omenetto 解釋,「想想看環境優勢:如果手機能夠分解,而非埋在掩埋場內好幾年。」

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這種未來裝置結合了傳統積體電路的東西 — 矽與鎂 — 但屬於超薄形態,接著被封裝到絲蛋白內。

「雖然矽看起來不透水,但它最終將溶於水,」Omenetto 還提到,挑戰在於製造能在數分鐘內分解-而非永久,的電子元件。

由 UIUC 的 John Rogers(另一位資深暨通訊作者)所領導的研究團隊是設計製造超薄彈性電子元件的先驅。只有數十奈米厚,這些微小電路,從電晶體到互連線(interconnects),都能輕易地在少量的水或體液內分解,且被無害地再吸收。在這些尺度下控制材料,使得這些裝置的分解時間得以微調。

裝置分解進一步由一層層的絲蛋白所控制,電子裝置均由其支持與封裝。取自蠶繭,絲蛋白為已知最強韌的材料之一。它也具備完全生物分解性,同時對生物友善(biofriendly),目前已應用於某些醫療用途中。 Omenetto 等人發現如何調整絲的特性,故裝置能在很廣泛的時間間隔內分解。

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研究者透過某種熱裝置的測試,成功地示範這個新平台。該裝置被設計用來監控與防止術後感染(在大鼠模型中示範),同時也創造一部 64 像素的數位相機。

在 Tufts 大學與 Omenetto 合作的包括生醫工程系的研究助理教授與論文共同第一作者 Hu Tao;博士生 Mark A. Brenckle;計畫管理者 Bruce Panilaitis;博士生 Miaomiao Yang 以及 Stern Family 工程教授暨系主任 David L. Kaplan。除了 Tufts 與 UIUC 之外,本論文共同作者也來自首爾大學、西北大學、大連理工大學、Nano Terra(波士頓)以及亞歷桑納大學。

在未來,研究者們展望更複雜的裝置,像是能被即時調整,或回應其環境-例如化學物質、光或壓力的改變。

想知道更多?

暫態電子學是一種新技術,其關鍵特色是它們能被設計成,在受控制的或是可程式的(programmable)情況下,不留痕跡地完全消失。暫態裝置有前途的應用是醫療移植、可分解的環境監控、可堆肥(compostable)消費性裝置等等。

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暫態電子裝置由伊利諾大學、Tufts 大學以及西北大學的研究者所示範,把鎂電極與互連線、氧化鎂閘極與層間介電質(interlayer dielectrics),以及非常薄的矽片,稱為奈米膜,當半導體用。

矽溶解於生物液體中,不過速率如此之緩慢,以至於傳統的矽晶圓要花數百年才能分解。相較之下,奈米膜薄到足以在幾日或幾週內,端視其厚度,於幾滴水內分解。然而,其厚度足以成為高品質的半導體裝置,例如電晶體、二極體等。

矽與鎂都在環境中自然產生,且已在各種醫學移植、藥物傳遞系統中被探索過,然而都是在巨大的結構化形態下。在暫態電子系統中,每種材料的數量遠小於所建議的每日允許量 — 鎂甚至少於綜合維他命裡面的量 — 或甚至少於正常生理濃度。但它足供精密的、具整合功能的電子裝置所用。

「這些等級的材料已在血管內支架、用於傳遞藥物的多孔體(porous bodies)、縫線與其它非電子性醫療應用中被探索過,」 John A. Rogers 表示,他是一位機械科學家以及 U. of I. 工程教授,主持這項研究。「我們設想如何將這些相同的材料以不同方式放在一起,能產生高品質的電子裝置、感應器與電力傳遞系統。」

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這些裝置被封裝在成層的絲蛋白(從蠶繭收集而來)中,溶解並再結晶。透過仔細控制絲蛋白的結晶構造,研究者能夠控制溶解率,故他們能為特定應用,調整暫態裝置的壽命。分解的時間尺度可從幾分鐘到幾天、幾週、幾月,或著有可能,幾年,全看絲的封裝。

資料來源:‘Transient electronics’: Biocompatible electronic devices dissolve in body, environment. Phys.org [September 27, 2012]

轉載自 only perception

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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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超壓縮的水會變成冰?!二維奈米薄冰能在室溫下穩定存在嗎?有什麼用途?——專訪中研院原分所謝雅萍副研究員
研之有物│中央研究院_96
・2024/03/10 ・4907字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|張琬婷
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術編輯|蔡宛潔

水能被擠壓成冰?

水在攝氏零度以下會結冰。然而,當水被擠壓到極限時,會形成二維的奈米薄冰,不僅室溫下穩定存在,還有從未見過的鐵電特性(Ferroelectricity),而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員,她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰,以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件,研究成果發表在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

奈米尺度下,物質特性會跟著改變?

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料,這是奈米科技的領域。奈米是什麼?奈米(nanometer)是長度單位,即 10-9 公尺,一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下,很多物質的特性會隨之改變,最常見的例子是「蓮花效應」,因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構,為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性,髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

電腦模擬圖(左)和實際照片(右),蓮葉上密集的微小突起,讓大顆的水珠和灰塵不易附著,這讓蓮葉具有疏水與自我清潔的特性。
圖|William ThielickeGJ Bulte

奈米材料(nanomaterial)是指三維尺寸的材料,至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維,就是平面的二維材料(2D),例如石墨烯;縮小兩個維度,就是奈米線(1D);三維都縮小,就是零維的奈米顆粒(0D)。

奈米科技(nanotechnology)的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼(Richard Feynman)在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢?」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人,他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

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過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發,但受限於製造技術不成熟,而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年,在掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)發明之後,不僅有助於材料的微觀分析,操縱單個原子和分子也成為可能,奈米科技也逐漸實現。

2013 年 IBM 研究人員使用 STM 顯微鏡將上千個一氧化碳分子製作成原子等級的動畫「男孩與他的原子」,目前是金氏世界紀錄最小的定格影片。

無處不在的奈米科技?

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是,從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例:防曬霜之所以是白色,是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒;許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物,來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性,例如汽車鍍膜或奈米光觸媒;羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂,讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業,奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀,以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級,製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」,謝雅萍說道。

IBM 展示 5 奈米技術的矽奈米片電晶體(nanosheet transistors),圖中堆疊起來的一顆顆橢圓形結構是電子通道的截面,IBM 設計立體結構以因應愈來愈小的元件尺寸。
圖|IBM

實驗中的難題,反而促成驚奇發現?

鐵電性是什麼?二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式?

對謝雅萍來說,發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關,畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目,理論上當兩層石墨烯很靠近時,分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態,沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

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然而,實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時,石墨烯開關仍會導通,甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久,嘗試思考了各種可能性,但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目,沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題,因此這個研究比預期多花了一兩年」,謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來,某次謝雅萍在與朋友討論研究時,突然想到一個可能的方向:「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料,但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕,開關關不緊會不會就是水的影響?」

設計實驗跑下去之後,謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來,兩層石墨烯結構中,真的有水分子的存在!「一般水分子用手去捏,還是會維持液體的狀態。但是我們發現,當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時,水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰!」,謝雅萍開心地說道。

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換句話說,當極限擠壓之下,水會結成冰,而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在!

示意圖,當水受到兩層石墨烯的極限擠壓之下,會形成單原子厚度的二維奈米薄冰,這層薄冰是鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在。
圖|之有物(資料來源|謝雅萍)

鐵電材料乍聽之下很抽象,謝雅萍表示:「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料,大多數人對鐵電材料比較不熟悉,其實概念十分相似」。她說,鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後,即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地,鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性,這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列,形成一個永久的電偶極,並且在電場消失後保持不變。

鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷排列方向。圖片顯示為順電狀態,極化方向和外加電場相同,箭頭表示每一小塊區域(Domain)的平均極化方向。
圖|之有物(資料來源|Inorganics

接著,謝雅萍發現,二維冰的鐵電性只存在於單層原子,增加多層原子之後,鐵電性會消失,變成普通的冰,這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰,是非常特殊的固態水,不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定,二維冰可以在室溫下穩定存在,不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現,要升溫到攝氏 80 度,被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度,這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

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於是,謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件,他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性,在施加不同外加電壓之後,元件可以維持上次操作的電阻值,並保留至下次操作,有這種特性的元件稱為「憶阻器」(memristor)。

憶阻器這個詞是由記憶體(memory)與電阻(resistor)組合而成,字面上的解釋便是:具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示:「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值,再以微小電壓讀取之前的電阻值,允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料,具備未來記憶體的發展潛能。

此外,二維冰奈米開關也是很好的開關裝置,團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬,開路和斷路的功能極佳,並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減,相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊,並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進,目前實驗室有和台積電(TSMC)合作,希望透過產學合作,將更多奈米技術的應用落地實現。

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謝雅萍與研究團隊用意外發現的二維奈米薄冰,以石墨烯為架構,做出了全世界第一個機械式的憶阻器。
圖|之有物

與二維材料實驗的相遇?

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員,同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人,她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果,創意與想法的激盪和交流,是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期,謝雅萍都在臺大物理所,鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶:「當時我們都要向化學系要材料,他們給什麼我們就得用什麼,但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到,擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫,讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構,進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好,也可以幫助學生建立重要人脈!」在指導教授引薦下,謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院(MIT)的二維材料實驗室,自此與二維材料結下不解之緣,她認為:「好材料與好元件是相輔相成的,前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後,深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作,然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行,學生之間會互相分享自己的研究內容,互相幫忙思考、激盪出新想法」,謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

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當年二維材料還在萌芽階段,她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者,她也因此立下了目標:「希望未來我有能力時,能夠自己掌控自己的材料做出好元件!」如今,謝雅萍正走在自己目標的道路上,過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人,直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料,身處這些男性為主的學術環境,謝雅萍顯得自在,而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性,讓自己融入整個以男性居多的環境中,才不會在團體中有突兀的感覺」,她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab,是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室,他們除了是工作上的夥伴,更是人生中的最佳拍檔!當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識,再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是:這種共同主持的模式與一般實驗室相比,是否有特別之處?

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「從多個面向而論,我認為都是 1+1>2 的」,謝雅萍說道,「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目,兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻,我們在研究上看的面向也都不一樣,因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充,不僅對實驗室本身而言,對學生也有很大的好處,「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人,代表學生的研究成果會非常扎實,也可以為學生帶來信心。」重要的是,「學生也會得到兩倍的照顧與關愛,我覺得我們的學生是蠻幸福的」,謝雅萍笑笑地說。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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【成語科學】抽絲剝繭:尼龍發明前的超耐磨繩材——柞蠶絲!
張之傑_96
・2023/09/13 ・1032字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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中國人是世界上最早養蠶的民族。根據可考的資料,至少有 5000 千年之久,難怪中國又有「絲國」之稱。

蠶是唯一馴化的昆蟲,所以稱為家蠶。人們長期養蠶,自然而然產生了許多和蠶或蠶絲有關的成語,譬如鯨吞蠶食、作繭自縛、抽絲剝繭、破繭而出、一絲不掛等等。讓我選擇「抽絲剝繭」作為樣本,來談談蠶繭和蠶絲吧。

圖/Wikimedia

蠶卵孵化後,吃著桑葉長大。經過三眠或四眠,開始吐絲結繭,把自己裹起來。蠶在繭裡化蛹,羽化後變成蠶蛾。蠶蛾從口中吐出鹼性液體,讓蠶繭一端軟化,就可以破繭而出,飛出去尋找配偶,產生下一代。

蠶結繭時,抬著頭不停地繞著身體吐絲。若非受到干擾,吐的絕不間斷,一根絲竟然長達 500-1000 公尺!人們養蠶的目的,就是為了取得蠶絲。那麼怎麼將蠶繭上的絲抽出來呢?

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抽絲時要把蠶繭放在水裡煮,讓蠶絲間的膠質溶化,然後找出絲頭,才能將每個蠶繭上的絲抽出來,最後只剩下已被煮死的蠶蛹。抽絲時,同時抽取好幾個蠶繭,撚成一股絲線,這個過程稱為繅絲。

蠶繭。圖/Wikimedia

繅絲時,絲得一根一根地抽,繭得一層一層地剝。成語「抽絲剝繭」,比喻由表及裡,細緻地分析,以發掘真相。讓我們造兩個句吧。

這宗刑案,經過警方抽絲剝繭,終於真相大白。

在我抽絲剝繭之下,這道數學難題終於解開了。

家蠶屬於鱗翅目、蠶蛾科。鱗翅目分為蛾類和蝶類兩大類,牠們是完全變態昆蟲,一生分為卵、幼蟲、蛹和成蟲等 4 個階段。蛾類和蝶類有若干差異,包括蛾類的觸鬚呈羽狀,蝶類呈棍棒狀;蛾類大多夜間活動,蝶類大多白晝活動。此外還有一個差異,就是蛾類會結繭;蝶類不結繭,牠們的蛹有個硬殼保護。

由於蛾類會結繭,所以除了家蠶,還有幾種野蠶可養來抽絲。最有名的野蠶是柞蠶,屬於天蠶蛾科,以殼斗科的植物為食。柞蠶起源於中國北方,現已傳播到韓國、日本、印度等地。篦麻蠶,屬於天蠶蛾科,起源於印度,現已傳播到中國、日本及義大利等地。

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這兩種野蠶都採野放的方式,也就是在野外飼養,結繭時到樹上採收。野蠶絲的織品,不如家蠶絲細緻,但堅韌耐磨。尼龍沒發明前,降落傘的繩索就是柞蠶絲製的。

張之傑_96
103 篇文章 ・ 223 位粉絲
張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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「暫態電子學」:生物相容電子裝置可在體內分解
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・2012/10/01 ・1697字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

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微小、完全生物相容、能在運作一段時間後,無害地「溶入」其周遭環境的電子裝置,已由 Tufts 大學生醫工程師與伊利諾大學香檳分校的研究者合作研發。

命名為「暫態電子學(transient electronics)」,這種新型的 silk-silicon(絲–矽)裝置,允諾新一代不再需要動手術移除的醫學移植物、環境監測器,以及能成為堆肥而非垃圾的消費性電子產品。

「這些裝置與傳統電子裝置南轅北轍,傳統電子裝置的積體電路被設計成具備長期的物理與電氣穩定性,」Fiorenzo Omenetto 說到。他Tufts 工學院的生醫工程教授,以及一篇論文的資深暨通訊作者,該論文題為<A Physically Transient Form of Silicon Electronics>,於 2012/09/28 發表在當期的 Science 上。

「相較於目前的裝置,暫態電子學提供強健的效能,不過在預先規定的時間內,其環境能將它們完全再吸收(resorb) — 從幾分鐘到幾年,視應用而定,」Omenetto 解釋,「想想看環境優勢:如果手機能夠分解,而非埋在掩埋場內好幾年。」

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這種未來裝置結合了傳統積體電路的東西 — 矽與鎂 — 但屬於超薄形態,接著被封裝到絲蛋白內。

「雖然矽看起來不透水,但它最終將溶於水,」Omenetto 還提到,挑戰在於製造能在數分鐘內分解-而非永久,的電子元件。

由 UIUC 的 John Rogers(另一位資深暨通訊作者)所領導的研究團隊是設計製造超薄彈性電子元件的先驅。只有數十奈米厚,這些微小電路,從電晶體到互連線(interconnects),都能輕易地在少量的水或體液內分解,且被無害地再吸收。在這些尺度下控制材料,使得這些裝置的分解時間得以微調。

裝置分解進一步由一層層的絲蛋白所控制,電子裝置均由其支持與封裝。取自蠶繭,絲蛋白為已知最強韌的材料之一。它也具備完全生物分解性,同時對生物友善(biofriendly),目前已應用於某些醫療用途中。 Omenetto 等人發現如何調整絲的特性,故裝置能在很廣泛的時間間隔內分解。

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研究者透過某種熱裝置的測試,成功地示範這個新平台。該裝置被設計用來監控與防止術後感染(在大鼠模型中示範),同時也創造一部 64 像素的數位相機。

在 Tufts 大學與 Omenetto 合作的包括生醫工程系的研究助理教授與論文共同第一作者 Hu Tao;博士生 Mark A. Brenckle;計畫管理者 Bruce Panilaitis;博士生 Miaomiao Yang 以及 Stern Family 工程教授暨系主任 David L. Kaplan。除了 Tufts 與 UIUC 之外,本論文共同作者也來自首爾大學、西北大學、大連理工大學、Nano Terra(波士頓)以及亞歷桑納大學。

在未來,研究者們展望更複雜的裝置,像是能被即時調整,或回應其環境-例如化學物質、光或壓力的改變。

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暫態電子學是一種新技術,其關鍵特色是它們能被設計成,在受控制的或是可程式的(programmable)情況下,不留痕跡地完全消失。暫態裝置有前途的應用是醫療移植、可分解的環境監控、可堆肥(compostable)消費性裝置等等。

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暫態電子裝置由伊利諾大學、Tufts 大學以及西北大學的研究者所示範,把鎂電極與互連線、氧化鎂閘極與層間介電質(interlayer dielectrics),以及非常薄的矽片,稱為奈米膜,當半導體用。

矽溶解於生物液體中,不過速率如此之緩慢,以至於傳統的矽晶圓要花數百年才能分解。相較之下,奈米膜薄到足以在幾日或幾週內,端視其厚度,於幾滴水內分解。然而,其厚度足以成為高品質的半導體裝置,例如電晶體、二極體等。

矽與鎂都在環境中自然產生,且已在各種醫學移植、藥物傳遞系統中被探索過,然而都是在巨大的結構化形態下。在暫態電子系統中,每種材料的數量遠小於所建議的每日允許量 — 鎂甚至少於綜合維他命裡面的量 — 或甚至少於正常生理濃度。但它足供精密的、具整合功能的電子裝置所用。

「這些等級的材料已在血管內支架、用於傳遞藥物的多孔體(porous bodies)、縫線與其它非電子性醫療應用中被探索過,」 John A. Rogers 表示,他是一位機械科學家以及 U. of I. 工程教授,主持這項研究。「我們設想如何將這些相同的材料以不同方式放在一起,能產生高品質的電子裝置、感應器與電力傳遞系統。」

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這些裝置被封裝在成層的絲蛋白(從蠶繭收集而來)中,溶解並再結晶。透過仔細控制絲蛋白的結晶構造,研究者能夠控制溶解率,故他們能為特定應用,調整暫態裝置的壽命。分解的時間尺度可從幾分鐘到幾天、幾週、幾月,或著有可能,幾年,全看絲的封裝。

資料來源:‘Transient electronics’: Biocompatible electronic devices dissolve in body, environment. Phys.org [September 27, 2012]

轉載自 only perception

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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D