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繩力女超人奪金只靠志氣? 景美小將告訴你拔河背後的科學

活躍星系核_96
・2017/08/15 ・4033字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

  • 文.採訪|黃茵
景美女中與台師大拔河聯隊。圖/By 臺師大-景美女中拔河隊隊員黃怡瑾同學

回想起第一次與繩力女孩的交集是在師大夜市的滷味店,因為辦活動剛結束,忙到晚上九點半才與同學一起到店裡用餐。早已過了晚餐時間,老闆陸續收拾、準備打烊,店裡也只剩下我們與另一桌客人。談話中,我無意間向同學提到一位從景美女中畢業的好友,此時另一桌的女孩突然開口:「他是我大一的室友!」另一位女孩也說:「他是我高中同學!」這樣小小巧合串起了我與哈利和笑笑的緣分。幾次在路上問候和巧遇,也讓我有機會熟識拔河隊學妹——波波、芝涵和小黑人。

還記得剛認識不久,我曾小心翼翼的問哈利:「你們都什麼時候、在哪裡練習?我都不知道師大有拔河的場地。」他自若地說:「每天放學去景美練習阿。六點到九點,練完再回來吃飯,所以我們那天才會遇到。」老實說,第一次相遇的那晚我以為他們在悠哉地吃宵夜,殊不知那是他們辛苦練習之後才能享用的晚餐。當我越深入他們的生活,我越發現電影演的根本是皮毛,真實世界裡的「志氣女孩」雖然有世界級金牌選手的頭銜,卻一點世界冠軍的光環都沒有。

認識這群繩力女孩之後,我有機會從電影「志氣」外,了解拔河這項少數用「倒退步」取勝的運動。平時除了傾聽她們訓練的心路歷程,更有機會近距離觀察他們的生活。看著他們每晚在宿舍交誼廳吃宵夜、在比賽場上奮力一搏的模樣,最讓我佩服的除了他們堅忍不拔的「志氣」精神之外,還有對的口令、姿勢、技術、選手身材這些「魔鬼細節」的堅持。運動家精神與技術運用的環環相扣才是她們取勝的關鍵。

景美女中與台師大拔河聯隊。圖/By 臺師大-景美女中拔河隊隊員黃怡瑾同學

喊喊口號精神好?同時出力最重要

多數人對拔河的印象想必都是熱血沸騰、嘶聲吶喊的畫面吧?但你曾否想過,究竟為什麼要大聲喊口號?

想像你要和朋友一起搬重物,兩個人說好同時出力和兩個人不同時出力,哪一個會比較輕鬆呢?答案當然是同時出力!其原因正是因為你們同時並且同方向出力產生比較大的合力。合力為作用在某物體上「力的總和」,同一直線上,若作用於物體上的力方向一致,可以產生比較大的合力。拔河時,選手會以口號代表特定的動作,在整齊劃一的口號下,即使變換動作也能迅速使動作一致,產生同時且方向一致的合力。

拔河只需比力氣?長高一點可能較實在

有一天,笑笑在談話中無意間提到他想「長高 10 公分」,一開始我不以為意,心裡想著:「誰都希望長越高越好」,於是隨口問他:「是想看起來瘦一點嗎?」他卻很認真地說:「如果我長高 10 公分我拉拔河可以輕鬆很多!」聽完這句話我滿臉疑惑的問他:

拔河跟身高也有關係嗎?不是力氣大就好?

「如果力氣大拔河就會贏,那舉重選手來拔河就會贏嗎?不盡然。」這句話摘自教練郭昇接受快樂工作人雜誌的訪問。郭教練一語道破,點出影響拔河的因素不僅力量,身高、體重與技術都是關鍵。

其實,拔河這項運動與槓桿原理有密切的關係,槓桿原理中,力矩等於作用力乘上作用力與支點間的距離(力臂)。身高高的優勢與開瓶器的原理有些相似,利用施力臂長的原理造成較大的力矩(力量)。拔河的時我們把腳當作支點,當支點與作用力的距離越長,也就是選手的身高越高(力臂越長),力矩越大,可以產生的力量就越大。

如果我們假設兩名選手體重相同,身高分別為 170 公分和 160 公分,若身高 170 公分的選手要產生 80 公斤的力需要傾斜到與地面夾角 30 度,160 公分的選手想要產生一樣的力,就需要傾斜到與地面夾角小於 30 度的姿勢。相同的原理,兩位選手傾斜的角度相同,身高較高的選手會因為力臂長而產生較大的力。

景美女中與台師大拔河聯隊。圖/By 臺師大-景美女中拔河隊隊員黃怡瑾同學

為了比賽,女孩們認真斤斤計較

為什麼要過磅?

正式的拔河比賽有重量分級,比賽前一天選手必須「過磅」,八位選手體重總合必須維持在量級內,以示公平。女子組常見的量級有:500 公斤與 540 公斤,也就是八位選手平均每人 62.5 和 67.5 公斤。這個基準是以體格較魁武的歐洲人為標準制定,對女性平均身高 165 至 170 公分的他們來說,六、七十公斤的身材算很勻稱。

然而,對於個頭較小、選手平均身高頂多 160 公分的亞洲人而言,自然會看起來比較「肉」。正值青春年華的選手們不僅得為了比賽量級努力增重,為了不讓這些「肉」變成負擔,還得花更多時間和心力把脂肪練成肌肉,以免這「過重」的身材對關節造成傷害。

為什麼要增重或減重?體重如何作為拔河的戰術?

主要的原因是為了符合國際賽事對量級的規範,選手需要長期增加體重才能達到量級標準。再者,體重也是影響比賽輸贏重要的關鍵,若能盡力增加體重,重量的優勢將能帶給對手更大的壓迫。因此,為了將體重作為一種戰術,選手會盡量在比賽前長期增重到超過量級所需的重量,直到過磅前透過禁食、長跑或脫水的方式迅速減重,過磅完再透過大量進食增重,達到體重優勢。

從認識繩力女孩後,每次他們要比賽,我都會盡量到場或看比賽直播替他們集氣、應援。幾次激烈的比賽下來,除了看他們與選手拉鋸、最後取勝,我也在觀賽的過程中發現他們的姿勢和裝備有許多特殊之處,更好奇拔河是否也像籃球、排球一樣有「戰術」?

傾斜角度抓仔細,戰術正確才會贏

體重是拔河比賽關鍵之一,因此,拔河選手可以透過身體傾斜的姿勢,用身體的重量幫助手施加更大的力。想像你現在到了蘿蔔田幫農夫收成,當埋在土地裡的蘿蔔怎麼都拔不起來,此時你會怎麼做?你的身體會自然地傾斜,讓你使出更大的力把蘿蔔拔出來。為什麼傾斜讓力量變大了呢?當身體傾斜的時,腳(支點)和身體(力臂)產生的夾角變小,力矩變大。但是也不能斜到幾乎躺到地上,若是過度傾斜,腳就無法當作支點支撐了。

拔河是一項靠耐力的比賽,訓練技術很重要的關鍵在肌耐力。肌耐力強並且盡量讓身體保持成一直線、集中力量,才能在繩子上撐住自己和隊友。拔河場上,誰先沒力誰就露出破綻,因此選手在維持姿勢的同時也要觀察對手的狀態,一但看到對手有人沒力,就要改變口號並且「接緊」腳步、使出攻勢。透過強攻、坐地起等技術一步步把對手擊敗。

後衛。圖/By 臺師大-景美女中拔河隊隊員黃怡瑾同學

至於戰術,除了「體重壓制」外,依選手身材條件來安排位置也是比賽取勝的戰術之一。配置位置的原則有其道理,教練通常會將身高高的選手排在前面一至三個位置。面對攻擊首當其衝的就是最前面的選手,個子高的選手有身材造成的優勢,因此安排他們在前段制衡對手。

每一次上場的八位選手,盡量身高有高有矮,才不會為了使出同樣力道,個子小的選手得將繩子壓到很低、姿勢傾斜角度太斜。最後一位揹著拔河繩的「後衛」通常會安排「噸位最重」的選手,因為他要保持繩子的平衡並且負責「扛起」所有隊友。正因為這個位置的特性,後衛在技術上和身體素質必須特別「穩重」。

摩擦摩擦,用光滑的拔河鞋摩擦!

除了選手本身出力,拔河中還有另一個重要的科學原理——「摩擦力」,需要透過特殊裝備來輔助、增強摩擦力,選手才能握緊繩子並踩穩腳步。拔河裝備主要有拔河衣和拔河鞋。拔河衣的材質像是厚重的毛巾,選手穿在身上可以保護身體,防止繩子和身體直接摩擦而受傷。至於拔河鞋,則經過特殊設計,鞋底材質為橡膠,它的特殊之處在於一般的鞋底會設計紋路增加摩擦力,而拔河鞋卻不然。

拔河鞋的鞋底是完全平整的橡膠底,選手甚至需要在練習或比賽前把鞋底磨平。為什麼呢?用直觀思考,我們經常認為粗糙的面之間可以造成較大的摩擦力,但是實際上,光滑平面之間的摩擦力不一定比較小。原因是當表面光滑時,兩接觸表面上能夠相互接近的原子數與分子數增加,兩者之間產生的附著現象使得兩個光滑平面不容易被分開。如果覺得很難以置信,可以試著拿平整的塑膠袋在沒有沾水、光滑的塑膠墊上摩擦,過程中,你會感受到光滑表面產生的摩擦力。

拔河鞋。圖/By 臺師大-景美女中拔河隊隊員黃怡瑾同學

既然如此,為什麼我們平常穿的鞋子鞋底要設計紋路呢?原因有二。第一,我們平常在行走的道路大多不是光滑的平面。第二,室外經常會有泥沙和雨水,光滑的平面再沾上水和泥沙等「潤滑劑」後,摩擦力會變小(試試看在塑膠墊上沾水,與塑膠袋摩擦的效果),需要透過凹凸紋路把這些東西卡住或排出,藉此增加摩擦力。

同樣的道理運用在拔河鞋的設計,室內拔河場地的河道表面平整,因此在練習或比賽前選手必須把鞋底磨平並且將河道上的灰塵和水擦拭乾淨,增加摩擦力、以便選手出力。同時,拔河選手會像體操選手上場前一樣,在手上塗上白色的碳酸鎂粉末,把手上的水分和油脂吸掉,增加手和繩子的摩擦力,以免因為汗水而抓不緊拔河繩。

用知識的力量成為繩力女超人

雙手佈滿厚繭和傷口,心裡的苦怕家人擔心,更是不敢輕易透露。成為拔河選手這麼辛苦,我問這群繩力女孩為什麼還是選擇拔河?他們都說拔河是一項沒有 MVP 的運動,「只有團隊,沒有『自己』」。他們深知華麗的成績全都來自團隊合作,在年僅二十出頭的女孩們身上看到這種「成就彼此」的心態實在很不簡單,讓人不禁感嘆他們的成熟懂事。繩力女孩們翻轉了我對運動選手「頭腦簡單、四肢發達」的印象,拔河絕對不只靠蠻力,她們除了用「志氣」稱霸世界,更用「知識的力量」成為「繩力女超人」!

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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強核力與弱核力理論核心:非阿貝爾理論——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/28 ・1733字 ・閱讀時間約 3 分鐘

非阿貝爾理論

量子色動力學與弱核力理論有個更為奇特的性質,兩者都是「非阿貝爾理論」 (non-Abeliantheories)。非阿貝爾的意思是強核力與弱核力理論核心(參見【科學解釋 6】)的對稱群代數是不可交換的。簡單來說就是「A 乘 B」不等於「B 乘 A」。

一般人的常識會告訴你,如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣,你用計算機怎麼試答案都不變。一個袋子裝三塊錢、兩個袋子總共是六塊錢;一個袋子裝兩塊錢,三個袋子總共還是六塊錢。

如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣。圖/pixabay

這件事對數字永遠都成立,是千真萬確的事實。然而,我們有個很好的方法能定義出一套數學架構,其中的 AB 不等於 BA。實際上,數學家已經鑽研這個領域很多年了。

條條大路通數學

或許更驚人的是,物理學家竟然也在許多地方應用這套數學,因為某些和物理學相關的事物也是 AB 不等於 BA。矩陣就是我們表示這些東西的一種方式。現在我在倫敦大學學院為新生上的數學方法課就有介紹矩陣力學。以前我的學校制定了一套「新數學」的課綱,所以我在年僅十五歲的時候就多少認識一點矩陣了。

數學的一個矩陣是一群按照行列排列整齊的數字。把兩個矩陣 A 和 B 相乘,會得到另一個矩陣 C,方法是把對應的列和行上面的數字依序相乘。

這種矩陣聽起來可能不像某部電影裡面那掌控一切、創造虛擬實境的超級電腦一樣迷人,卻有用的多。這部電影的角色身穿黑色皮衣,還有出現著名的慢動作躲子彈鏡頭

慢動作躲子彈鏡頭。圖/giphy

我來舉個例子。

你可以用一個矩陣來描述你移動某個物體的結果。相乘的順序(AB 或 BA)在這個例子有明顯的區別。物體先在原地轉九十度再向前直直走十公尺,和先走十公尺再轉九十度,兩種移動方式最後的終點顯然不會相同。假設矩陣B代表旋轉,矩陣 A 代表直行,那麼合在一起的「旋轉後直行」就是矩陣(C = AB);這和「直行後旋轉」的矩陣(D = BA)必定不會相同。C 不等於 D,所以 AB 不等於 BA。要是 AB 和 BA 永遠相同,我們就沒辦法用矩陣來描述這類的移動過程了。正是因為矩陣的乘法不可交換―非阿貝爾,這個工具才會如此有用。

數學和真實世界密不可分

在狄拉克試圖要找出能描述高速電子的量子力學方程式時,矩陣被證實是他所需要的工具。實際上,電子有某項特性讓狄拉克不得不使用矩陣來表示它,這項特性與他描述電子自旋的語言同出一轍;所有原子的行為和元素周期表的規律,都與自旋有深刻的關聯。除此之外,這個性質也啟發狄拉克去預測有反物質的存在。

數學和真實世界之間似乎有緊密的關係,這讓我讚嘆不已。優秀的研究要能解決問題、也要能提出好的問題。而問題永遠比解答還要多,為了研究我們要付出許多的時間和金錢,因此大家得做出抉擇。數學是威力極大的工具,能幫助科學家檢查實驗數據、並從結果當中尋找最有趣的新實驗方向。就算有些方法和結論,好比矩陣及反物質,看起來可是相當古怪的。

秉持著這份精神,我要在繼續討論希格斯粒子搜索實驗之前,先繞個路來講微中子,最後這回要介紹的是一個很重要的真實結果。2012 年 3 月 7 日,中國的大亞灣核反應爐微中子實驗(DayaBay Reactor Neutrino Experiment)發表了最新的研究成果。

One of the Daya Bay detectors.圖/wikipedia

他們的實驗結果不但對標準模型影響重大,也會決定粒子物理學未來的研究走向。如果你只想要繼續讀希格斯粒子的故事,大可跳過這一段沒關係,下一節再見。但是微中子的粉絲可千萬別錯過精彩好戲了!

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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柔軟的導電革命:前所未見的無序高分子導體
linjunJR_96
・2022/12/30 ・1995字 ・閱讀時間約 4 分鐘

只有金屬會導電?

怎麼樣的材料能導電?這個問題的答案或許將永遠改寫。

怎麼樣的材料能導電?金屬?這個問題的答案或許將永遠改寫。圖/pexels

芝加哥大學的研究團隊發現了一種新的合成材料,擁有塑膠般柔軟的非晶體結構,同時又有金屬般的導電性質。

講到導體,首先會想到的是老字號的金屬家族。金銀銅鐵這類材料是由單一金屬原子排列成整齊的晶格,自由電子可以穿梭其中。大約從十八世紀開始,科學家便知道常見的金屬可以用來傳導電荷,並將物質分為導體和橡膠這類的絕緣體。利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。

利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。圖/pexels

相隔許久後,二十世紀後半幾次意外的實驗讓科學家發現聚乙炔這種高分子聚合物在摻雜了些許碘原子之後,也能表現出良好的導電性。這完全顛覆了人們對於導體的認知:

原來除了金屬材料之外,塑膠聚合物也可以作為導體。

和傳統無機材料比起來,導電聚合物的製程簡單便宜,也有較好的可塑性,被俗稱為「導電塑膠」。這種突破性的材料帶來了新一波的電子產品,像是有機發光二極體(OLED)螢幕、有機太陽能電池、以及有機半導體科技等等。

儘管有著導電塑膠的響亮名號,但是導電聚合物和金屬導體一樣,都有緊密整齊的晶格結構,讓特定能量的電子可以順暢地流通。事實上,現代的固態理論認定固態材料必須要有這些整齊排列的晶格,才能有效地傳導電力。像是玻璃、黏土、橡膠這些結構無序的非晶體材料則肯定無法導電。

從左到右分別是有序的晶體、無序的非晶體、和氣體。圖/ Encyclopædia Britannica

再一次超越想像,無序材料也能導電

不過芝加哥大學博士生 Jiaze Xie(現為普林斯頓大學博士後研究員)近期發現了另外一種可能性。他選擇了 TTFtt 這種高分子作為嘗試的目標。TTF 結構本身在數年前就已經被發現可以作為導電高分子的組成單元,但因為合成技術困難,並沒有受到研究圈的關注。Jiaze Xie 將鎳原子鑲在碳原子和硫原子組成的長鏈上,合成出全新的 NiTTFtt,開始了一系列的實驗。

在實驗室中,NiTTFtt 展現了不錯的導電性。但最令人驚訝的是,X 射線繞射結果顯示它的分子結構是無序的,沒有整齊的晶格結構。它是一種理論上不該存在的「無序高分子」導體。

事實上,NiTTFtt 的質地就像是小朋友的玩具黏土一樣,只要將一坨 NiTTFtt 黏在電路上,就可以開始導電。這表示它有著幾乎無人能敵的可塑性。除此之外,它還十分的穩定。實驗人員將它加熱到攝氏兩百多度、放在潮濕的空氣中幾十天、在它身上滴強酸強鹼,想盡各種方式考驗它,但它的導電性在各種條件下幾乎都能保持穩定,顯示其實際應用的潛力不容小覷。

這種被現有理論排除的材料為什麼有辦法存在呢?研究團隊利用掃描式電子顯微鏡和 X 光繞射的探測結果建構出了下圖的原子結構模型,企圖對這種前所未見的材料提出解釋。

每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元,他們首先組成長長的一維長條。圖/參考資料

以每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元。他們首先組成長長的一維長條(左),平行堆疊成千層派一樣的結構(中),並橫向排列形成立體的材料(右)。注意到每個長條排列的方向雖然一樣,但是並不需要有規律的秩序。

透過理論計算和電腦模擬,研究團隊發現長條之間即使經過平移或是扭曲,電子活動的範圍還是能維持足夠的重疊,讓電子能夠穿過不規則排列的千層派結構。也就是說,NiTTFtt 的特殊原子結構使得其導電性能在非結晶結構下屹立不搖。

獨一無二的特性,或許可以帶來更多的突破

NiTTFtt 獨一無二的材料性質顛覆了固態物理的既有認知,讓這份研究登上了《自然》期刊。由於電子產品是如此無所不在,任何關於導電材料的發展都會帶來無限的可能性。NiTTFtt 的可塑性以及耐溫耐濕耐酸鹼的超人特性開啟了許多傳統導體無法想像的機會。

研究團隊向全世界示範了有機分子只要有適當的結構,就可以在非結晶排列下維持金屬般的導體性質。他們也期待「無序高分子」導體能夠像金屬導體和導電聚合物兩位大前輩一樣,為人類社會帶來革命性的科技突破。

參考資料