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凡得瓦誕辰|科學史上的今天:11/23

張瑞棋_96
・2015/11/23 ・1003字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

壁虎在天花板爬來爬去為什麼不會掉下來?看牠如此迅速移動就知道不可能是腳底有黏膠;而牠在玻璃上也遊走自如,可見也不是靠倒鉤;難道是吸盤?科學家後來用電子顯微鏡發現壁虎的腳底並無任何吸盤,卻有數十萬根的纖毛,而每根纖毛末端又有上百個分叉。原來支撐壁虎體重的就是這數億根細毛與壁面之間的凡得瓦力。

壁虎可藉由腳上的凡得瓦力於牆上爬行而不會掉落。圖片來源:Steve Evans@wikipedia

凡得瓦力是分子彼此極為接近時所產生的吸引力。因為分子本身雖是電中性,但電荷不會剛好均勻分布,往往兩端各為正負電,如此一來,就會像磁鐵那樣與另一個靠近的分子互相吸引。凡得瓦力非常微弱,但是億萬個分子同時作用就產生極大的黏著力。

凡得瓦力的發現始自1873年的一篇博士論文;這篇論文的作者,荷蘭物理學家凡得瓦當時已經36歲,大概是在科學史上佔有一席之地的科學家之中,最晚取得博士學位的人。

凡得瓦因為家境因素,小學畢業後只能上專門培養小學師資的學校,而自19歲起成為小學教師。六年後,他想繼續進修,卻因為沒在一般中學學過希臘文與拉丁文而無法進入大學,只能前往旁聽。他先靠自學,於28歲取得中學教師資格;幾年後,古典語文的入學規定終於廢除,他才得以進入萊頓大學就讀。

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1869年,愛爾蘭物理學家安德魯斯(Thomas Andrews)發現在某個臨界壓力與臨界溫度下,二氧化碳會形成一種無法區分為氣態或液態的流體;然而此時壓力、溫度、體積三者的關係卻無法用理想氣體方程式描述。凡得瓦認為問題就出在理想氣體把氣體假設為不具體積、完全彈性碰撞的粒子,因此他納入分子的實際體積與彼此的吸引力這兩個因素,將理想氣體方程式修正為「凡得瓦方程式」,成功解釋臨界點的流體狀態。他就以此做為博士論文而於1873年獲得博士學位。

這篇以荷蘭文寫的論文原本不會得到科學界的注意,幸好曾研究過這題目的馬克士威注意到這篇論文後驚為天人,大力推崇,默默無聞的凡得瓦才一夕成名,並於1876年成為大學教授,直到七十歲退休為止。

1910年,凡得瓦獲頒諾貝爾物理獎。回顧他的一生經歷,從小學老師、中學教師、大學教授,最後還得到諾貝爾物理獎,這種不斷努力向上的精神真是令人敬佩。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 960 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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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

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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為什麼壁虎能飛簷走壁?壁虎之「爪」所藏有的秘密!——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/08 ・3040字 ・閱讀時間約 6 分鐘

潮濕環境中就算是壁虎也會腳滑?

這引我走上另一條路徑。有鑑於凡得瓦力靠得是兩個平面之間緊密接觸,如果是像史塔克教授提到的大溪地雨林那樣潮溼的環境,會發生什麼狀況呢?有水是否會改變壁虎的抓力?或者,如我假裝專業問她的問題,潮溼的壁虎可以黏在物體上嗎?

史塔克是討論這個問題的絕佳人選。為了更透徹理解真實世界的環境如何運作,她與研究夥伴一起花了好幾年時間探究表層水對壁虎黏附力的影響。她一開始先測量大壁虎在三種玻璃樣本上的黏附力—乾燥、用水滴稍微沾濕,以及完全浸泡在水中。

壁虎被放置在各個表面上,再用小型電動吊帶輕輕往後拖(沒錯,你沒看錯),直到牠們的四足全都移動。這能讓研究人員測量克服壁虎黏性所需的力量—稱為最大剪切黏附力(shearadhesion force)。

他們發現壁虎在潮溼的玻璃表面上,黏附力會明顯下降。

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「這讓我們很吃驚,尤其是有那麼多種壁虎生活在高濕度、高降雨量的環境中,」史塔克說。

「我們測量了四足完全泡在水中時的最低黏附力,這時候水絕對會干擾以凡得瓦力為基礎的黏附力所需的密切接觸。」但她承認,這個狀況在野外大概沒那麼普遍。

「實際而言,相較於走進暴雨之中並踩入深水坑,壁虎更有可能接觸到僅稍微沾濕的表面。」即使如此,史塔克在稍微沾濕的表面測得的力量,還是比足趾乾燥走過乾燥玻璃的壁虎還低(或比較不黏)。

大多數情況下,牠們依然有剛剛好的抓力可以承受自己的體重,但是當環境變得潮溼,壁虎的黏附力就會開始減弱。其中發生了什麼事?

壁虎腳趾的「疏水」特性

回到第一章,我們得知液體黏附於表面的能力關乎表面能和可濕性。壁虎趾墊極度疏水。它們會有效地排斥水,所以當蜥蜴把足部伸入水坑,會在足趾周圍形成微小的氣囊;水被推開,保持足趾乾燥。但是這項除水的能力有其限制,取決於壁虎最後踩上的表面。

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壁虎的足趾具有極高的疏水性。圖/envatoelements

在史塔克的研究中,她著重在玻璃表面,這是因為玻璃具有親水性,會吸水。當壁虎的足部接觸到潮溼的玻璃,牠無法完全把水推開,如史塔克的解釋,這會中斷提供壁虎大部分抓力的凡得瓦力。

此外,壁虎的足部泡在水中過了 30 分鐘後,牠們的足趾似乎會暫時失去傑出的防潑水能力。水會湧入皮瓣,更進一步減弱牠們的抓力,使得玻璃似乎更滑。

但是如果表面本身就具疏水性,那一切對壁虎來說就簡單多了。在那樣的情況下,其足部和表面都會排斥水,因此兩者接觸時也會很乾燥。那對壁虎而言是理想的狀況—沒有水,其剛毛和匙突都能用來黏附。

這也反映出許多物種在野外會遇到的環境:從有蠟的樹葉到樹幹,疏水性表面在自然界中不足為奇。重要的是,壁虎奔跑的頻率高於行走,史塔克之後證實,這有助於牠們更有效率地甩掉足趾上的水。

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鐵弗龍攀爬實驗

體悟到可濕性是壁虎抓力的關鍵因子,促使許多研究團體開始探究壁虎碰到工程性疏水表面會發生什麼事—最有名的研究是壁虎與鐵弗龍的比賽,首次討論在 1960 年代晚期開始。

德國科學家烏維.希勒(Uwe Hiller)發表的實驗指出,疏水性、表面能偏低的材料(如鐵弗龍),對壁虎而言太滑了,爬不上去。即使他用帶電粒子撞擊鐵弗龍以增加表面能,他的實驗壁虎依然難以爬得更遠。針對單一剛毛的實驗也得到一樣的結果。

所以我們也許能理解,史塔克沒有很想在 2013 年再次測試該材料的原因。「不過我的本科學生非常好奇會發生什麼狀況,所以我最後還是同意了。」他們發現的結果讓所有人都大吃一驚。根據他們的結果,活壁虎可以爬上鐵弗龍,但只有在有水的情況下才辦得到。

「就是那些罕見的發現既讓我們困惑,但也證實我們在野外所見的狀況,」史塔克說。

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「我們知道壁虎可以毫不費力地爬上最滑的樹木和植物,即使在大洪水過後也一樣,所以水顯然對牠們來說不是大問題。但是我們的模型就是沒預測到在鐵弗龍的結果。」

壁虎能輕易爬上最滑的樹木和植物。圖/envatoelements

另一個結果就沒那麼令人意外—在中度可濕的材料上,水似乎沒造成什麼差異。壁虎在潮溼和乾燥表面上都能緊緊抓附。

但是超級疏水的鐵弗龍則是異數—與我們對以凡得瓦力為基礎的黏附力的認知相反,水似乎增進了壁虎的黏附表現。

研究人員表示,這個結果並不能類推到更多的材料上,而是只特定於鐵弗龍。在那篇論文中,他們歸咎於鐵弗龍的粗糙度。乾燥時,這個粗糙度可以造成空氣隙(air gap),減少表面與壁虎匙突之間的接觸區域。潮溼時,粗糙度好像有點被消除,讓足趾可以充分地緊密接觸,獲得凡得瓦吸力。

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老實說,這個解釋無法說服我,而史塔克在電話中似乎也同意我的看法。我們單純無法解釋我們的結果,或為何鐵弗龍與其他材料如此不同。在之後的實驗中,我們擾亂它的粗糙度和氟化作用(一種表面加工),以檢視有無任何變化。我們發現後者對黏附力有比較大的影響。我們懷疑靜電可能也有關係,但是還無法肯定。

壁虎黏附系統的未解謎題

壁虎黏附力的主要機制來自凡得瓦力,這似乎毫無疑問,但是我與研究人員對談,加上讀了多於我想承認的期刊論文後,我愈來愈認為不只如此。儘管我們不斷又相當密集地進行研究,我們可能還未揭露壁虎黏附系統的所有秘密。

例如,我們依然還沒全面釐清潮溼環境下的角蛋白剛毛發生什麼事。人體的毛髮極容易受濕度影響,主要是因為水有助於α- 角蛋白的鄰近股之間形成暫時的氫鍵。雖然它跟壁虎的β- 角蛋白之間有一些化學差異,但水似乎也有可能也會對其機械性特質產生作用。

歐騰毫無疑問相信這件事。他在 2011 年發表的一篇文章中,發現濕度提升得愈高,剛毛會變得愈軟,但是我們不知道在「整隻動物」規模時會怎麼運作。還有許多細胞生物學家認為角蛋白毛髮有額外的功能—蛋白質表面自然產生的正電荷似乎會進一步增強凡得瓦效應。最後, 2011 年,在一間黑暗的研究實驗室中,發現了一些神祕的壁虎腳印。

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「我們發表那篇論文時並不太受歡迎」當我問起這篇論文時,史塔克笑著說。「大家都說壁虎使用的是無殘膠、乾淨的黏附系統,但是如果是這樣的話,這些腳印是哪裡來的?牠們留下了一些東西,我們從未在其他地方看到相關報告。」

史塔克跟她的研究夥伴發現殘留物含有脂質—這是通常在像蠟和油這種「滑溜」物質會發現的化合物。她也指出,這些脂質集中並環繞著剛毛,讓她認為這與角蛋白有關。但是她承認,他們還無法解釋出現這些脂質的原因,或它們究竟是哪裡來的。

「我們就是沒有答案,雖然我們懷疑那跟快速切換黏性和快速移動有關。可能就是這些脂質有助於剛毛和匙突潔淨又無塵。或是脂質可能與毛髮的結構有關聯。不管是哪個原因,都讓我們知道目前以β- 角蛋白均質柱狀物為基礎的模式並不完整。」

這些尚待解答的問題,只會讓壁虎的黏附系統更加迷人和值得研究。其性能也使其成為工程和材料科學界源源不斷的靈感來源。

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——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載

晨星出版
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木工之子自學成師——現代分子科學之父:凡得瓦的逆境人生
ntucase_96
・2021/12/17 ・2006字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自 CASE 報科學 《【物理史中的十一月】1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生

  • 文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2021 年 11 月)

1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——自學成功的科學家凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生。

凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals)。圖/維基百科

在《費曼物理學講義》中,廣為人知的是,費曼一開始便問,人類最應該為子孫保存的是哪一則科學知識,而他的答案是:所有物質皆由原子所組成。雖然這看起來顯而易見——事實上,原子的概念可追朔到古希臘時代——然而原子的存在直到 20 世紀一直都是科學家激烈爭辯的問題。提供世界由分子組成的觀點強而有力、令人信服證據的是凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals),他原是一位荷蘭的小學老師,物理知識大都自學而得,然而他努力不懈,終成了現代分子科學之父。

這位後來的諾貝爾獎得主於 1837 年 11 月 23 日出生在荷蘭萊登市(Leiden, the Netherlands)一個困苦的木工家庭,是家中 10 個小孩中的老大。在當時,女孩和工人階級的男孩都無機會接受嚴謹的中等教育,因此,凡得瓦早期的教育只有閱讀、寫作和基本的算術,幾乎沒有接觸自然科學的機會。

凡得瓦 14 歲離開學校去當小學老師, 24 歲時當上小學校長。他渴望更多知識,所以利用閒暇時到當地萊登大學(Leiden University)上數學、物理和天文課程,卻因為入學許可規定要考拉丁文,數度被拒絕註冊為全職學生。後來荷蘭實施全面的教育改革,推廣中學教育制度,凡得瓦致力於要成為中學教師,終於當了 10 多年的物理老師。

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隨著荷蘭教育政策進一步改革,取消大學入學考拉丁文的規定,開展了凡得瓦的世界,他很快地在萊登大學通過物理和數學的資格考試,開始他的博士學業。1873 年,他終於在 36 歲時獲得博士學位。

凡得瓦的博士論文《關於氣體和液體狀態的連續性》奠定了現代熱力學的基礎,終於讓他於 1910 年獲得諾貝爾物理獎。在論文中,他主張用一個統一的模型來說明氣體和液體的性質,後來成了知名的凡得瓦方程式:

(P + a/V2 )(V – b)= RT

在此,P, V, 和 T 代表物質的壓力、體積和溫度,a 和 b 是常數。

凡得瓦研究的重要性在於他調整理想氣體狀態方程式(PV = nRT),以涵蓋分子和分子間力,這種洞察力在當時分子的存在仍是激烈爭辯的議題來說,是很有遠見的,更不用說論及原子交互作用和彼此的施力了。為了表達對他的敬意,從那時開始,已被證明存在於分子之間的弱作用力都稱為凡得瓦力。

熱力學領域的巨人馬克士威(James Clerk Maxwell)在評論凡得瓦發表於《自然》(Nature)雜誌的論文時,很有先見地指出:「毫無疑問地,凡得瓦的名字很快地會被列在分子科學最前沿中。」雖然有這早來的讚譽,但凡得瓦成就所得到的認同卻來得緩慢,主要因為他的研究起初只以荷蘭文發表。直到 1877 年,凡得瓦的發現在廣泛流傳的德語雜誌《物理學年鑑》(Annalen der Physik)中被做了概述介紹後,物理界才完全明白此研究的創新本質,而激起一陣液體和氣體分子物理的研究熱潮。

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因為此廣泛的讚譽,凡得瓦離開他中學物理老師的職位,接受了新成立的阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)的物理教授職。在被學術界拒於門外這麼久後,凡得瓦和他交往密切的同事凡特何夫(Henry van’t Hoff,第一屆諾貝爾化學獎得主)以及德富力(Hugo de Vries,開創性的遺傳學者)最終引領了新大學在荷蘭科學嶄新的黃金年代中脫穎而出。

凡得瓦隨後的成就包括對應狀態定律,此理論被視為氫和氦液化,以及接著於 1911 年發現超導性的基礎,還有早期的毛細管理論,以及二元混合物理論,其對於化學工程以及地球化學有著持續性的影響。凡得瓦也預見團簇化學和物理學的重要性,此領域的研究在最近數十年才漸熱門起來。

雖然有這許多成就,但凡得瓦是出了名的謙虛,這在他得諾貝爾獎演講的開幕詞時也許最為明顯:「現在我有此殊榮,在傑出貴賓雲集的場合討論我有關於氣體和液體本質的理論研究,我一定要克服我談論我自己以及我的研究時缺乏自信的狀況。」

凡得瓦很重視他的個人隱私。悲劇於 1881 年降臨他家,那年他太太安娜突然因肺結核病死,時年僅 34 歲,讓他極度心碎,爾後有十幾年沒有發表論文。他從未再婚,和 4 個小孩過著安靜的生活,女兒安妮持家,賈克琳是有名的詩人,約翰娜是老師,兒子約翰跟隨父親的腳步是當上物理教授。他有一位學生說:「名譽既未改變他的行為,也沒有改變他的習慣。」。

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凡得瓦於 1923 年 3 月 8 日過世,享壽 85 歲,他的一生是面對逆境時堅毅的最佳榜樣。

「完全確定的是,在我所有的研究中,我深信分子確實存在,從未將它們視為是我想像的虛構之物,」凡得瓦曾如此說,「但是當我開始研究時,我感覺只有我有這樣的看法。」。

ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。