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知識時代襲來,科技部的「科技大觀園」在新世紀的角色是什麼?

科學月刊_96
・2017/10/11 ・4897字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 606 ・十年級

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  • 文/廖英凱—非典型的不務正業者、興致使然地從事科普工作、能源與科技政策研究。曾有機會撰稿於科學月刊、泛科學、研之有物、物理雙月刊、國語日報科學版、科技大觀園等科學媒體。
截圖自科技大觀園網站。

科技大觀園」是一個歷經近十載的老牌科普平台,如圖書館般典藏眾多國內外科研成果,但在知識產業蓬勃的當代,仍有不少需積極改進之處。

大觀十載,知識時代襲來

2008年1月,國家科學委員會(現為科技部)上線「科技大觀園」網站,旨在透過網路平台,整合國內各機構所產出科普文章、演講影音與各類活動等成果。迄今,由科技部科教國合司負責營運的科技大觀園網站,亦同時應用特約撰稿契約等模式,與民間科普作者簽約產製文章。

2016年12月29日,立法院教育及文化委員會審議「科學技術基本法部分條文修正草案」,通過由立法委員黃國書等19人所提案的「科學技術基本法第十三條」的「科普保障入法」相關條文,並修訂科發基金運用「應編列一定比例之經費推廣科學知識普及化」。

2017年7月28日,由立法委員黃國書與吳思瑤舉辦,並有科技部陳良基部長全程出席參與的科技基本法之科普推廣相關子法修訂與後續執行公聽會中,科技部提出科普經費應為科發基金預算總額至少千分之五,並由科技部統籌執行的草案。並介紹過去以「科技大觀園」做為科學普及、科學傳播為推廣核心的策略。不過,在公聽會上,有諸多學者提出對科普經費運用方式的建議,以科技大觀園作為科技部推廣科普的核心策略是否值得沿用,更值得各界進一步的討論。

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歷經近十載的科技大觀園,以匯集管理各單位科普執行成果為己任,是過去國內科普資源整合的重鎮。然而,隨著近年來知識內容媒體的百花齊放,資源人力均不算寬裕,也沒有商業考量的科技大觀園,其營運理念難以跟上知識經濟的浪潮。在學術科教圈、新創媒體界、知識產業鏈中,都陸續招致對其營運與內容的批判建議。本次草案中,預估千分之五的科發基金,在今日約為每年2億元的經費挹注(含既有已執行編列之經費),更引發科學社群對科技大觀園改善的急切建言。筆者因近年陸續有機會在科技部「科技大觀園」、中研院「研之有物」、 「科學月刊」、「物理雙月刊」、「泛科學」與「國語日報科學版」等科學內容媒體上發表撰文,或協助採訪撰稿,故就個人經驗,以作者、內容產製者為出發點,提出科技大觀園未來營運方向之建議。

一、欠缺近代編輯制度

「請編輯老師協助刪減是我要求的,且主要係刪減部分較深奧的科學名詞與理論為主,因為若有太多的科學名詞與理論,就不算是科普文章,普羅大眾是看不懂的。」—節錄自科技部予筆者部分書信往來內容

筆者於2016年間,拜科技部「特約撰稿契約」制度所賜,有機會協助科技大觀園採訪撰寫3件我國傑出的科研產學合作成果。採訪過程獲益匪淺,對於民間獨立撰稿者來說,是相當理想且能得到支持的合作方式。然而,在撰稿期間從科技部承辦窗口回信得知,科技部另有「編輯老師」能對文章給予意見、執行刪修。筆者除從承辦窗口轉述得知編輯老師意見外,也曾多次提出希望能與編輯直接意見交流。但直至文章刊出至今,筆者仍無從知曉編輯的身分,也未有與編輯直接交流的機會。

以筆者曾為科技部撰寫的一篇介紹「烏龍茶」的科普文為例,筆者在文章編修完後,被科技部告知因字數過多而有所刪減,但收到稿費計酬文件時,看到字數才察覺文章在編修過程中,被刪減的篇幅係千餘字,但「被刪減的是哪些段落」、「刪減原因」在筆者主動要求前皆未被告知。

相較起過去在其他科普媒體的刊載過程,文章刪修亦是常態,但重要的絕不僅是刪修的結果,而是來回討論修正的過程。編輯所給予的修訂意見、基於科普專業的交流討論,都是作者提升能力的重要機會。長期合作的編輯,更是作者們非常重要的朋友,亦師亦友的信賴關係,也是作者們持續投入科普內容產製的熱忱來源。

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因此,對於仍會持續產製內容的科技大觀園來說,應優先建立作者與編輯直接協作機制;於編制上或外聘合作上,強化具有科普編輯、與作者協作以及經營社群經驗的人力。以此解決過去作者與承辦窗口之間,因對文章內容、形式,稿費或轉載制度等認知相岐或意見轉述失真所產生的摩擦或誤會。

二、目標受眾定位過於狹隘

過去數年來,政府將科技大觀園定位成一整合科普資源的平台。然而,科技大觀園並未對「科普」的定義,與目標受眾的定位,有更宏觀彈性的策略。

以筆者過去曾協助科技大觀園採訪中興大學曾志正教授的研究為例,曾教授以質譜儀、核磁共振等研究方法,理解烏龍茶好喝的學理機制,並發展出新型烏龍茶製程,以輔導業者提升產業。但很可惜地,在文章編修過程中,關於涉及科學名詞與理論的部分,被以「不算是科普文章,普羅大眾是看不懂的」為由,而被科技部要求刪減。

受限於「普羅大眾」的科學普及,是囿於既有教育制度,教師之於學生的知識傳授框架。更受制於公務機關,常被迫有「公家資源需照顧人數最大化」的關鍵績效指標(Key Performance Indicators, KPI)迷思。理想的科普策略,應有分眾、分流的目標受眾與內容設定。無論是以激發興趣為主的國小生、尋求專業知識入門途徑的大學生、試圖理解我國科研成果與產業發展趨勢的民眾或從業者,都可以是科學普及的目標受眾。

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就作者而言,單一科普文章的受眾定位,須同時考量作者寫作特性與其學研背景;寫作內容的資訊量與知識深度;與此文章預期達到的目標效益。相較起文章完成後被編輯片面刪減具較深科學內涵的部分以降低閱讀門檻,能讓作者與編輯或科技部共同討論文章受眾定位,才能最大化發揮每一位作者的專長。因此,筆者認為建立起更宏觀、更彈性的目標受眾定位策略,才能使科技大觀園有機會吸納更多元的作者社群,並呈現更為豐富寬廣的內容樣貌。

三、網站介面不利於理解或引發興趣

筆者相信,科學普及工作,有協助讀者理解科學內容的責任,也有推廣科學激發人們對科學產生興趣的重大使命。無論是以文章、廣播、影片或動畫等內容載體,相關工作者也都自然地往這2個方向努力。然而,歷近十載的科技大觀園,雖然2017年初甫經歷網站改版,但與今日眾多知識內容網站相比,其網站介面設計仍相當不利於協助讀者理解科學內容或引發興趣。

以筆者分別在「科技部(科技大觀園)」、「中研院(研之有物)」、「泛科學」上所發表的3篇不同文章為例,此3篇文章均為字數3500~4000字,且目標受眾是高中自然組以上,預期文章能推廣我國科研成果,提供產業政策建言。

圖一:由左自右,分別為筆者在「科技大觀園」、「研之有物」、「泛科學」上所發表之文章截圖。(作者提供。)

從網站設計可發現,科技大觀園僅能容許在每一篇文章之始放置5張圖片。文章內文中,不允許嵌入任何形式的圖片、動畫、影片,註腳形式的參考文獻與超連結在編修後也都未能採用。而在研之有物的文章範例中,營運團隊內的美術編輯,能協助作者將儀器架構與科學學理,繪製為精美的圖片穿插於文章中,提升讀者對科學內容的理解。在泛科學的文章範例中,網站亦能活用具吸引力的圖片,並有設計團隊將文字內容以圖文形式呈現,提升讀者對議題的興趣與關注動力。

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在各類網站工具與介面應用蓬勃發展的今日,科技大觀園的網站設計顯得不合時宜,並影響了科普文章協助讀者理解與引發人們興趣的重大任務。

四、文章會因抗議或壓力而下架

長期以來,政府所經營的網站內容,常常有因為政策改變、民代與民間等關切或抗議之故,而將網站內容刪除或下架。如經濟部所營運的「經新聞」網站,就曾在2016年間,因政策改變之故,下架其刊載的評論文章,雖以新聞為名,但實為政策宣傳的行銷用途。

2016年9月,筆者協助科技大觀園介紹宜蘭大學陳裕文教授的團隊,並將其研究成果發表於科技大觀園「優質蜂產品研發技術聯盟—打造台灣頂級蜂蜜供應鏈」一文,陳教授的研究團隊,在過去幾年間,建立起碳同位素分析技術,並利用氣相層析光譜儀建立臺灣蜂蜜的成分圖譜。以此發展能夠更進一步檢驗蜂蜜是否造假或攙偽的技術。2016年11月,科技部接獲「臺灣養蜂協會」來函抗議,認為此新技術的介紹會造成誤導影響權益。雖過程中,筆者有被告知可針對抗議文提供資料與回應,但最終科技部仍因抗議壓力之故,而在未告知作者的狀況下將文章下架,目前僅能在陳教授的網站上看到原文備份。

就此事件,雖然能理解在這類與政治權力結構有關事件中,政府業務部門與學術單位常處於弱勢被動的地位。也願意相信此次事件,應為偶發之個案而非常態。但仍期冀科技部能扛住外界壓力,讓科普文章的刊載如學術研究般,能接受實質內容的檢驗,但自由不容損害。

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筆者也想藉此提出一個假設性問題,今日我國在張景森政務委員的推動下,又要開啟對深層海水產業的開發。然而,相關法規與產業對深層海水的定義,完全不符合主流地科學界的研究成果。倘若有科學家以地科研究資料抨擊我國深層海水政策時,科技大觀園能如「科學月刊」、「泛科學」等媒體,不畏阻力呈現科學社群的觀點嗎?

五、文章主動推廣程度不足

多數的政府部門網站或社群網站,其經營的推廣效果或是與民間互動的熱絡程度,往往難以企及民間的活力。對於科技大觀園,也依然有文章過於被動地被使用者看到的現象。在本次公聽會上,中山大學生科系顏聖紘老師認為,現況是只有學習動機良好的人才會進入科技大觀園,並透過合適的搜尋方式找到資訊。慈濟大學生科系葉綠舒老師也認為,現今科技大觀園編輯制度不利於具時效性科學新知的發布,並會很現實地影響到點閱率與作者發文意願。

筆者利用SimilarWeb作為分析工具,比對科技大觀園、研之有物、泛科學與食力4個知識內容型網站,在2017年4~7月間,使用者進入這些網站的方式。分析結果顯示,科技大觀園的使用者,有70%來自於自然搜尋(Organic Search),僅有不到一成來自社群網路。而其他3個網站,則有相當大比例的使用者來自社群網路,如透過社群網路小編的社群經營與網友的轉發推廣,來成為瀏覽網站的契機。

利用 SimilarWeb 作為分析工具,比對科技大觀園、研之有物、泛科學與食力 4 個知識內容型網站,在2017年4~7月間,使用者進入這些網站的方式。(註:此類網路工具受限於網站分析技術而有一定誤差,但在大級距的數值比較上,仍有相當參考價值。)

至此,筆者認為科技大觀園僅能服務到已有充足學習動機,並擁有一定程度資料查詢與辨別資料品質能力的使用者。但對於更有必要被傳播科學知識或素養的民眾來說,並無法從現今的營運模式主動接觸到科技大觀園內的知識。

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十載大觀,藏文數千的圖書館

綜上所述,今日的科技大觀園猶如一座藏文數千的科普圖書館。累積著我國政府與眾多科學人的心血。但未能與時俱進的過時資訊載體與政府體制的限制,致使科技大觀園難以充分發揮其科普之任務,也與諸多知識媒體相比顯得格格不入。

若能導入更緊密的作者編輯關係;更彈性開放的目標受眾策略;更適宜閱讀理解並引發興趣的網站介面;更自由無畏的資訊開放、議題評論;以及更主動地推廣文章,並積極接觸與培養科學社群,將能使科技大觀園不僅只有如圖書館般地資料庫樣貌,更能為科普工作者提供支持,為我國科學素養提升的工作注入活力。期盼此次科技基本法的科普入法,能成為科技大觀園的進化契機。而科普經費的保障,更能促成公私協力,成為知識經濟產業發展的基石。

十載赫赫大觀園,笙簫悠揚,鑼鼓堂皇。要以什麼樣的面貌迎向知識時代的下一個10年,仍有待科技部的改革企圖與科學社群的齊心協作。

報導

 

 

 

 

延伸閱讀

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  1. 行政院國家科學技術發展基金推廣科學技術知識普及化執行辦法草案總說明
  2. 2017 年 7 月 28 日科技部科學技術基本法 13-2 條配套辦法訂定與執行說明簡報
  3. 2017 年 7 月 28 日科技基本法之科普推廣相關子法修訂與後續執行公聽會會議直播錄影

〈轉自《科技報導​》429期〉

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科學月刊_96
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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 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|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

降低碳排還不夠,奈米材料幫你直接減少二氧化碳!

氣候變遷問題日益嚴重,2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份,臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標,設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員,他的研究專長是奈米能源材料,我們將介紹一種複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),在太陽光照射下,此材料表面發生的氧化還原反應,會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳?根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據,2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸,而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下,每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤,相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油!

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」,人類活動排放的溫室氣體,已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去,碳排放量可預期將不斷上升,大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示,地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 註 1,否則將有不可逆的後果,例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此,世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標,並不是說都不排碳了,而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消,達到「淨零」的目標。

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要達到淨零的目標,除了尋找與開發減碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下,如果可以像植物一樣,只要照太陽光,就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物,聽起來不錯吧?但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定,要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應?

我們可運用「陽光」與「光催化材料」(又稱光觸媒,photocatalyst),不僅可以減碳,還能產生有價值的碳氫化合物,是一種「一舉兩得」的方法!

光觸媒(光催化)材料是什麼?

在談到光催化材料之前,先複習一下「催化劑」這個概念,催化劑不參與化學反應,但是它讓原先不可能的化學反應變得可行!陳貴賢分享,這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山,經過九彎十八拐的北宜公路;但如今有了「雪山隧道」之後,就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外,催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色!在過去,農作物施肥只有天然氮肥可以使用,產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加,《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面,波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔,用來收集當肥料用的鳥糞。

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到了近代,陳貴賢提到在 20 世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)透過催化劑,在高溫高壓的條件下,以鐵粉做為催化劑,讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能,人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥,農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」,顧名思義就是協助光化學反應的催化劑,但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於,其化學反應通常發生在固態的表面環境,目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料,你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」,例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能,其實就是照射足夠的光,讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸,這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構,且大幅增加反應的表面積,讓光催化反應更有效率。

陳貴賢:「一個高表面積的奈米粉末,它的表面積可能是薄膜的一萬倍,甚至於十萬倍。」

給你電子,還你原形!光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的?

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳,是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」,氧化反應會失去電子,還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),可以讓二氧化碳還原成甲醇(CH3OH)和乙醛(CH3CHO),這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下:

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要持續減少二氧化碳,就要持續發生上述還原反應,持續供給電子。不過,我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面?這裡就開始涉及到半導體的核心問題:電子與電洞的產生、分離和傳輸

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:ZnS/ZIS,是結合兩種奈米半導體材料,透過水熱法合成,將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,形成 0D-2D 結構的 ZnS/ZIS 複合物,就像製作巧克力豆餅乾,不過要複雜得多。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

既然 ZnS/ZIS 是半導體,當受到光照之後,原來的價帶(valence band)電子會被光激發成導帶(conduction band)電子,原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位,就是電洞。電子和電洞的遷移,就是半導體形成電流的原因,因此電子和電洞都稱為「載子」(charge carrier)

還記得上面的還原反應嗎?

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對光催化材料來說,為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇,必須獲得穩定的電子來源,材料內部要迅速補充電子到表面,因此:

照光產生的電荷載子數量越多越好;產生的電子和電洞要傾向分離,分得越遠越好;電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定,首先照光產生的載子要多,就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合,照光產生的電子和電洞很容易復合,一旦復合,等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好,可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS/ZIS 光催化材料,依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99,分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中,ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇(如下圖)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率,陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值(apparent quantum efficiency),用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量,產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後,ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%,量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍!

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這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合,因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率,選擇兩種不同的半導體材料組合,讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞,並且把電子送到它該去的材料表面。

此外,使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」,以符合光催化反應的能量門檻,自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後,繼續往 ZIS 跑,光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面,還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快!控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發,陳貴賢提到:「材料低能階,然後光子進來後,把電子激發到高能階去做反應,太陽能電池也是這樣。但是呢,有時候沒那麼剛好,例如激發後的能階不夠高,雖然激發上去了,但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起,電子上去以後又下來,然後再吸收第二個光子上去,那就變得很高了,高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖,如下圖所示,電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發,變成自由電子,接著經過設計完善的材料介面,先降到較低的 ZIS 束縛區,受到第二次光子的激發,再次變成自由電子,跑到光催化材料的表面,和二氧化碳發生還原反應,將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

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看看電子走過的路,如果向左歪著頭看,是不是就是一個 Z 字呢?科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」(Direct Z-scheme)。「直接」的意思是,電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程,不需要再經過一個中間地帶,降低電子和電洞復合的機會。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料,電子可以不需要中間的「轉接站」,直接轉移到另一個材料上呢?這裡也有一個巧思:不同材料之間的「微應變」

不同材料的晶體排列規律是不一樣的,當兩種材料接在一起時,接面處會發生「晶格不匹配」,也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是,如果我們可以控制微應變(Strain)的程度,就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置,微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能,進而形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。

總之,陳貴賢團隊開發的這套材料組合,是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料,可做為未來量產光催化材料的研發設計參考,同時也是減碳的解方之一。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示,目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域,他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸,有太陽能電池和熱電材料,同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料,以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展,因為在 2050 淨零排放之前,有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列,企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中,台積電為蘋果主要供應商,2020 年也加入 RE100,目前為臺灣再生能源的主要買家

可以預見,將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求,而能夠減少二氧化碳的光催化材料,也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到,當前光催化材料還在基礎研究階段,目前的人工光合作用效率約 1%,接近大自然效率,而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上,方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值,不僅轉化後的燃料可以賣錢,處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用,是一種前所未有的概念。

陳貴賢強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值。
圖|研之有物

註解

  1. 根據 IPCC 的資料,如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內,必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標,同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放,特別是甲烷。
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諦聽宇宙深處的低吟,宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・3782字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 作者/陳哲佑
    • 任職於日本理化學研究所,專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
    • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(NANOGrav)團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
    • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」(PTA),測量各脈衝星訊號到達的時間,計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
    • PTA 得到的重力波訊號相當持續,沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月,位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號(請見延伸閱讀 1)。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦(Albert Einstein)「廣義相對論」的成功,更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在,我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測,還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙,甚至還有同時結合兩者的多信使天文學(multi-messenger astronomy)註1,皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊(請見延伸閱讀 2)。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息,重力波也有不同的頻譜,且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例,系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比,因此當系統中黑洞的質量愈大,它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺:LIGO、處女座重力波團隊(The Virgo Collaboration, Virgo),以及神岡重力波探測器(Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT)都受限於干涉儀的長度,只對頻率範圍 10~1000 赫茲(Hz)的重力波有足夠的靈敏度,此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

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然而,來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲(Nano Hertz,即 10-9 Hz)級別,如果想要探測到此重力波,就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚,但就在今年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav)的團隊利用「脈衝星計時陣列」(pulsar timing array, PTA)成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

與電磁波相似,重力波也有不同的頻率。不同頻率的重力波會對應到不同性質的波源,且需要不同的方式觀測。圖/科學月刊 資料來源/Barack, et al. 2018

NANOGrav 如何觀測低頻重力波?

讀者聽過脈衝星(pulsar)嗎?它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星(neutron star)註2,會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉,它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球,因而被身處於地球上的我們偵測到,就像是海邊的燈塔所發出的光,會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定,掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘,因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步,首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間(time of arrival),並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符,那麼兩者相減後所得到的訊號差(residual)只會剩下一堆雜訊;相反的,如果宇宙中存在著重力波,並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空,那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊,而會出現時空擾動的蹤跡。

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利用數個脈衝星組成的脈衝星計時陣列,可用來尋找宇宙中低頻的重力波訊號。圖/Tonia Klein, NANOGrav 

然而以觀測的角度來看,即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象,也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解,這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在,就必須進行更進一步的觀測:利用數個脈衝星組成脈衝星陣列,測量每個脈衝星訊號到達的時間,並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說,如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動,那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象,彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干;反之,如果脈衝星和地球之間有重力波經過,這些重力波便會扭曲時空,不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間,且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算,一旦有重力波經過,不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線,稱為 HD 曲線(Hellings-Downs curve)。

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科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位,藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性,再比較這些數據是否符合 HD 曲線,就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是,由於重力波訊號非常微弱,用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件,因此一般會選擇自轉週期在毫秒(ms)級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,已於 2020 年因結構老舊而退役)、美國的綠堤望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)和甚大天線陣(Very Large Array, VLA)觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後,發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合,證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav,其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列(European Pulsar Timing Array, EPTA)、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列(Parkes Pulsar Timing Array, PPTA)、印度的脈衝星定時陣列(Indian Pulsar Timing Array, InPTA),以及中國的脈衝星計時陣列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)等,皆得到相符的結果。

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NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同,目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的,而且並沒有較明確的單一波源,反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方,LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊,迎面而來一波一波分明的海浪,每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波;而 PTA 的訊號則是位於大海正中央,感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋,是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此,那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙(observable universe)的時間內互繞仍普遍存疑,如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞,那代表這類系統不僅存在,它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁,且產生的訊號也更強。

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NANOGrav 的觀測結果

橫軸為脈衝星陣列中,兩脈衝星位置之間的夾角;縱軸為訊號之間的相關性;藍色數據點為 NANOGrav 15 年的觀測結果;黑色虛線為 HD 曲線。可看出數據點的分布與 HD 曲線相當吻合。圖/科學月刊 資料來源/Agazie et al. 2023

不過除了雙黑洞系統,也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景,包含早期宇宙的相變、暗物質,以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因,最重要的關鍵在於,能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波,勢必會有來自某些方向的訊號比較強;反之,如果是早期宇宙產生的重力波,那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中,因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向,提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度,最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列;其二則是延長觀測的時間。

目前,不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列(International PTA)互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步,解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

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註解

  1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙,多信使天文學能利用多種探測訊號,如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象,獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
  2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸(supernova)後,就有可能成為中子星。

延伸閱讀

  1. 林俊鈺(2016)。發現重力波!,科學月刊556,248–249。
  2. 金升光(2017)。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場,科學月刊576,892–893。
  3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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