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奈米「小眼睛」看得更清楚,輕薄如紙的「超穎透鏡」超微光學元件新契機

PanSci_96
・2017/08/26 ・1386字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 581 ・九年級
  • 圖為基於集成共振單元之消色差超穎透鏡,由於色散已被完整消除,因此焦距不會隨著入射光波長的變化而改變。圖片來源:中研院

智慧型手機、眼鏡、顯微鏡必備的透鏡,受限於材料的折射率無法做到極微小的尺寸。而超穎介面(Metasurfaces)的光學設計結構雖然可以做到極小,過去一直面臨會由於色散產生色差等問題,未來的奈米光學要如何做到更小、更精準的光學元件呢?

中央研究院應用科學中心主任蔡定平特聘研究員,與臺灣大學電機系管傑雄教授及南京大學等研究團隊共同合作,利用自創的革命性新觀念—「集成共振單元」,研發出寬頻消色差的「超穎透鏡」(Achromatic Meta-lens),成為國際上奈米光學領域近期最重要的發展之一,對未來研發輕、薄、微小、精、準的平面型光學元件有極大的幫助。本論文已於 8 月 4 日發表於《自然通訊》(Nature Communications)。 超穎透鏡的發明也已獲得美國與臺灣專利。

一般透鏡有色散的性質,焦距會隨著入射光波長的改變而變化,且整體尺寸略顯厚重。圖片來源:中研院

透鏡在日常生活中是一種被廣泛應用的光學元件,例如智慧型手機、眼鏡、顯微鏡等,但受限於自然界中光學材料的折射率,使得光學裝置的體積普遍都相當大。超穎介面(Metasurfaces)是一種通過於次波長尺度下操控電磁波特性如相位、振幅與偏振等的光學設計結構,因此對於光電元件微型化的發展有著極大的助益。目前研究學者已成功利用超穎介面展示了平面超穎透鏡(Flat meta-lens),並證明超穎透鏡的成像能力更優於目前市場上廣泛使用之物鏡。然而,這些設計方法對於實際應用層面仍面臨了幾個重要的問題,色散所產生的色差便是其中之一。

如何在寬頻帶內消除色差是一項極大的挑戰,對於連續波段消色差的結果,日前最好的研究成果僅有 140nm(近紅外波段,相較於中心波長約 9.2% 頻寬,Optica 4, 625-632, 2017)以及 60nm(可見光波段,相較於中心波長約11%頻寬,Nano Letters 17, 1819, 2017)。如何擁有一個完整的物理設計原理以達到極寬頻且消色差之超穎透鏡,對所有需要使用精準平面超微型光學元件的裝置來說便是十分重要的關鍵基石。

本次橫跨中研院、臺灣大學與南京大學的合作研究團隊,使用自創之革命性新觀念:「集成共振單位」,並結合幾何相位(Geometric phase)的概念,透過電腦精算設計出超穎表面結構,製作出寬頻、消色差的超穎透鏡。值得一提的是,此超穎透鏡的消色差行為在近紅外波段達到了 480 nm 的頻寬,相較於中心波長約 33.3% 頻寬,是目前為止最廣的工作頻寬。

平面超微型寬頻消色差超穎透鏡之光學照片和電子顯微鏡照片。圖片來源:中研院

蔡定平主任表示,「過去透鏡需要運用像是透鏡曲度等方式來控制光,往往需要將二至四個透鏡相疊後才能達到理想的效果,而超穎透鏡即是運用奈米科技就能精準的控制光,讓透鏡能變成非常小的平面,應用上可望讓透鏡如紙片一樣薄,也能有效解決一般透鏡出現色差的問題!」。

寬頻消色差的超穎透鏡的製程與半導體元件之製程相同,未來可望能大量低成本地生產出既小又平的各種超穎透鏡。

「這項新突破可為光學鏡頭帶來革命性發展,未來預計能夠在手機鏡頭、一般監視器鏡頭、或行車記錄器上,只要一片微小的超穎透鏡即可達成任務,會比目前的鏡頭更小更便宜、畫質更清楚,運用的範圍也更廣泛!」蔡主任表示。

本研究由科技部學術攻頂計畫支持。

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2022 第十五屆台灣傑出女科學家獎得主揭曉

PanSci_96
・2022/03/26 ・3664字 ・閱讀時間約 7 分鐘

全台第一、更是唯一專為表揚台灣女科學家卓越貢獻的「台灣傑出女科學家獎」已連續舉辦15年,2007年台灣萊雅為樹立標竿及典範以鼓勵女性參與科學,聯合吳健雄學術基金會共同發起設置「台灣傑出女科學家獎」,多年來素有台灣「女性諾貝爾獎」之美名,顯見該獎項的學術地位與指標意義。今年,台灣傑出女科學家獎的傑出獎與新秀獎提名人數達到歷屆最多,如此盛況更顯示科學界對該獎項的肯定。

第15屆「台灣傑出女科學家獎」最高榮譽的「傑出獎」由中央研究院分子生物研究所李秀敏特聘研究員獲得。為獎勵優秀年輕女科學家而設立的「新秀獎」,則頒發給國立臺灣大學分子與細胞生物學研究所的黃筱鈞副教授,以及中央研究院分子生物研究所薛雁冰副研究員。鼓勵年輕博士班學生具科學潛力的「孟粹珠獎學金」,則由國立臺灣大學醫學院分子醫學研究所趙彤博士生獲獎。

「傑出獎」得主 李秀敏中央研究院分子生物研究所特聘研究員

  • 植物演化的突破性發現:解密葉綠體身世以及讓葉綠體得以運作的內外膜蛋白運輸橋梁

今年最高榮譽的傑出獎(註)由中央研究院分子生物研究所特聘研究員李秀敏獲得。大家都知道光合作用是在葉綠體進行,但葉綠體有賴細胞質輸入「蛋白質工人」才能正常運作。李秀敏博士的專長為植物分子生物學,她建立了第一個以遺傳學的方法,篩選葉綠體運輸突變株的系統,並以此系統,找到了數個葉綠體蛋白質運輸系統的重要成員。

李博士與其團隊,花了七年的時間,找到能讓蛋白質穿越葉綠體外圍雙層膜的橋樑 TIC236,解開葉綠體運作的大謎團,更發現這套運輸系統從遠古細菌一直沿用到高等植物,是植物演化學的重大突破。論文於2018年12月登上《自然》(Nature),並獲專文推薦。

除此之外,李博士首度發現葉綠體蛋白運輸是受年紀以及組織的調控,並發現了在導引訊息中決定年紀與組織調控的胺基酸序列,開創了發育調控蛋白質運輸的研究領域。其多項富有開創性的研究成果,使她成為享譽國際的植物細胞學家。她經常受邀於國際大型會議與國際知名大學如美國UCLA丶英國劍橋大學演講,也是台灣首度受邀擔任美國植物學會期刊 Plant Physiology的編輯委員及為Annual Review of Plant Biology撰寫文章的研究人員,2020年她更獲得美國植物生物學會海外終身通信會員獎,足證國際對其學術成就的高度肯定。

  • 勇於抉擇並衷於所愛,以推動友善女性科研環境幫助更多女性堅持科學夢

為了追求所熱愛的植物領域,李博士表示人生的重大決定包含:1.高中時成績很好,卻不想唸醫科,填志願時按照分數將臺大動物系填前面、植物系放後面,結果還是決定簽寫切結書轉入植物系就讀;2.赴美留學,選擇了當紅的研究植物光訊息傳遞的實驗室,因緣際會之下前往德國發現自己所愛還是葉綠體,立刻向美國實驗室表示要放棄當紅的議題,做回自己最感興趣的葉綠體題目,從此不動搖。李博士鼓勵一定要追求自己的興趣,才不會對所做的事情感到倦怠。對於研究常常碰到的失敗,李博士表示:「做實驗並非是為了追求成功,而是從每一次的失敗中理解原因,一次一次把失敗的機率變小,然後又離成功更進一步了。」

儘管家境不優渥,卻保持優異成績,李秀敏博士鼓勵大家即使沒有天生的幸運,也要努力在自己所能中做到最好,才能讓自己有最多的選擇。李博士從個人求學經驗中反映出的同理心,讓她發掘對教學的熱忱,不僅認真研究,也熱心作育英才,課程深受學生好評,並兩度獲得台灣大學教學優良獎,培育出多位在中研院及大學任教的優秀人才。面對學術界男女比例懸殊的狀況,李博士表示,統計數據發現許多女性在從學校正式跨入學術研究時,面臨許多兩難,導致女性常為家庭而退出,因此致力爭取女性在學術就業環境中的友善制度,並認為社會上對男生數理比較好的刻板結論根本不存在,有時候女生的細心反而在研究中更勝一籌,鼓勵女性要堅定追求自己的興趣。

「新秀獎」得主 臺灣大學分子與細胞生物學研究所黃筱鈞副教授

  • 跨領域背景投入新興合成生物學領域,創新研究有助仿生學發展

出生在工程師家庭中的黃筱鈞博士,大學進入電子工程學系與研究所就讀,其後受到國外論文啟發,博士班赴美攻讀系統生物學,以實驗與數學模型探索癌細胞在分裂過程中,紡錘體經Kinesin-5小分子藥物干擾後,細胞死亡與存活的二元決定。

秉持探討未知的精神,黃博士團隊發揮跨領域專長,在實驗室建立合成生物方法學,打破傳統方法建立新的研究系統,為發育生物學提出關鍵問題,利用大腸桿菌以聚合作用和限制擴散為最小條件,重現不對稱細胞分裂與分化的階段性研究成果兼具創新與深度,於2021年發表於Nature Communications與ACS Synthetic Biology。黃博士的研究,在應用上可以幫助未來發展仿生學,以及解決目前已有的關於單一細胞裝入元件後,單細胞生物因為同時進行太多工作而負擔太重的問題。傑出的研究表現亦獲科技部生物化學及分子生物學門肯定與推薦,受頒2021吳大猷先生紀念獎。

黃博士實驗室為國際上少數能以合成生物方法學,研究單細胞極化與不對稱細胞分裂的團隊之一,具高度國際競爭力。黃博士同時熱心培育學子,曾獲頒臺大教學優良獎,並於臺大指導第一屆iGEM團隊,創立The Investigator Taiwan生醫社群平台,並曾擔任ICCAD (美國計算機協會國際電腦輔助設計研討會) Technical Program Committee,為優秀的跨領域學者。

黃博士分享探索新興研究領域的歷程,「我的同事來幫我當口試委員,出來後跟我說我的學生心理素質太強了。」原來,由於過往從未有人嘗試過以分子生物學角度進行探討,加上打破傳統方法建立新的研究系統本身就有高度挑戰性,讓學生的論文通篇都在描述實驗的挫敗與改善。「我真的很感謝學生願意相信我,即使失敗了也擦乾眼淚繼續做。」堅持不懈的科學研究精神。

「新秀獎」得主 中央研究院分子生物研究所薛雁冰副研究員

  • 杏鮑菇也是肉食性?揭開真菌捕捉線蟲機制,為藥物研發開展曙光

薛雁冰博士在大學就讀時期發掘了她對遺傳學的喜愛,赴美攻讀博士學位期間投入真菌遺傳學相關研究,傑出表現獲得美國遺傳學會(Genetics Society of America)的獎項DeLill Nasser Award,其後投入研究線蟲及「線蟲捕捉菌」之間的交互作用和共同演化,原創性的研究構想更獲得了美國國家衛生研究院 (NIH) 提供的獨立研究計畫補助。

薛雁冰博士返台加入中研院後,持續線蟲研究,由於當年科學界對模式生物以外的真菌理解有限,因為資料的缺乏以及菌株的表現差強人意,薛博士親自帶著團隊到野外採集,建立系統資料。經由研究發現民眾熟悉的食用菇類如蠔菇、杏鮑菇及秀珍菇的菌絲,能夠透過線蟲的感覺神經纖毛,快速麻痺線蟲,此機制和目前所知的寄生蟲藥物作用機制截然不同,薛博士的研究,在未來將可應用於農業的生物防治及人體抗寄生蟲藥物的研發,打破目前科學界苦於抗寄生蟲藥物出現抗藥性的困境。薛博士的研究成果讓她於分別獲選歐洲分子生物學組織 (EMBO) 的全球研究學者 (Global Investigator) 及年輕學者 (Young Investigator) 計畫,活躍於國際學術社群。

對於當年毅然投入線蟲捕捉菌的研究,薛博士認為科學家的獨立性很重要,如果反覆做相同的研究便缺少了這樣的獨立性,因此想嘗試新的領域。另外薛博士也認為,台灣目前深度投入研究科學的學生越來越少,過去班上約有1/2的人會選擇讀博士班,現在頂多1-2個,比例遠低於美國;尤其女學生更容易因為家庭、育兒等考量而卻步。為了培養新一代的科學家,薛博士花費許多心力帶領學生投入實驗,同時開設女性科學家的相關演講,鼓勵女學生繼續投入研究,幫助有志科學發展的人繼續往前。

孟粹珠獎學金:台灣大學醫學院分子醫學研究所博士班三年級 趙彤同學

  • 科學界的明日之星!解決免疫細胞在腫瘤環境中失能的難題,提升癌細胞免疫治療法功效

趙彤同學在校期間成績優異,獲得陽明大學生命科學系暨基因體科學研究所的畢業總成績優良獎與學士論文優良院長獎。2021年就讀立臺灣大學醫學院分子醫學研究所博士班二年級時,即以第一作者身分投稿研究成果於Autophagy期刊,探討癌細胞粒線體對核基因體穩定性的重要性,並因此獲得第17屆永信李天德醫藥科技傑出論文獎。研究指出細胞自噬能幫助清除受損之粒線體,避免其核酸內切酶 (EndoG)外漏轉而聚集於細胞核內導致核DNA損傷後,經由TET2修飾為5-羥基化甲基化胞嘧啶(5-hmC)的DNA區域成為EndoG之受質而進行切割,造成核內DNA二度損傷。趙彤同學的研究成果,將能解決免疫細胞在腫瘤環境中失能的難題,對於提升癌細胞免疫治療法的功效有很大的進步。而這不僅顯示出她扎實的研究能力,更讓人期待她無可限量的未來。

本新聞稿由台灣萊雅提供


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