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讓水能「逆流而上」的黑科技--「拓撲流體二極管」是怎麼辦到的?

果殼網_96
・2018/01/17 ・4033字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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文/陸遙|英國倫敦大學學院(UCL)化學系博士,現為 UCL 機械工程系博士後。研究超疏水多功能材料、固體潤濕性、流變學等。

如果能隨心所欲的控制液體的流動方向又不花費額外能量,將能帶來多大的益處呢?圖/Pixabay

 

電路中的二極管想必大家並不陌生,大名鼎鼎的 LED 就是其中的一種。在二極管中,電流只能朝單方向流動,反向則會被阻斷。但如果我告訴你,流體也有二極管,即液體在一根管子裡只能沿著一個方向定向流動、潤濕,反向則會被阻斷,你或許就要疑惑了,這是怎麼做到的呢?

近日,香港城市大學博士研究生李加乾和中國科學院上海微系統所周曉峰博士在香港城市大學王鑽開教授和美國理海大學(Lehigh University)Manoj K. Chaudhury 教授的指導下,聯合為大家展示了一種通過調整表面微觀形貌,控制液體流向的「拓撲流體二極管」(Topological liquid diode),並在《科學》雜誌的子刊《科學進展》(Science Advances)上發表了他們的研究成果[1]。

讓液體定向流動有什麼用?

「拓撲」一詞由英文 Topology 音譯而來,有研究特定地方地形、地貌的意思 [2]。王鑽開和同事們用拓撲一詞,意在表達通過對材料表面「地形地貌」(即材料表面微觀形貌)的控制,來實現流體的定向移動。

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你可能會問,液體定向移動有什麼用?我可以告訴你,如果沒有液體定向移動,地球上很多動植物就都要滅絕。比如沙漠甲蟲,利用背後親水的區域收集水,再利用親水和疏水區域形成的流體通道將收集的水自發定向地運輸到嘴裡[3]。再比如仙人掌,在沙漠中通過刺來收集水氣,收集的水沿著刺的外端自發定向地傳送到仙人掌的身上 [4]。當然,這種例子並不只在沙漠中才有。像豬籠草的「嘴唇」[5] 和蜥蜴的皮膚[6] 也具有類似功能。

自然界中這些自發、定向運輸液體的例子很多都是依靠其精妙的微觀形貌實現的,本文的主角「拓撲流體二極管」也不例外。接下來我就帶大家來揭開拓撲流體二極管這項黑科技神秘的面紗。

沙漠甲殼蟲和仙人掌。圖片來源:參考文獻 [3]

揭開拓樸流體二極管的作用機制

在拓撲流體二極管的製造中,研究團隊用一種特殊的凹槽構建了一個複雜的表面結構(旁白 : 誰能告訴我這麼複雜的結構是怎麼想到的?!)。這個表面的總體結構是一個U型島狀陣列(U-shaped island arrays)。構成陣列的每個U型島內都有一個U型槽,槽的頂端設計了一個凹角結構(re-entrant structures)。這凹角結構可不是為了好看,而是為了改變表面的潤濕性。

掃描電子顯微鏡下流體二極管表面的微觀形貌。總體結構是一個U型島狀陣列,用一個個長方形“柵欄” 圍著這些U型島狀結構(圖A)。構成陣列的U型島狀結構開口處較寬,向內寬度依次遞減,在每個U型島內都有一個U型槽(圖B)。U型槽的頂端還設計了一個凹角結構(圖C)。這凹角結構可不是為了好看​​,而是為了改變表面的潤濕性。圖片來源:參考文獻[1]

根據密西根大學 Anish Tuteja 教授早期的研究[7],這種凹角結構可以不借助任何化學修飾,讓一個親水表面變成疏水表面。那麼,以這種凹角結構可以不借助任何化學修飾,讓一個親水表面變成疏水表面。那麼,以這種凹角結構為基礎的這一系列設計,會達到什麼效果呢?當水滴滴在該表面上時,這滴水並不會像生活中常見的那樣向四處無序地舖展,而是會沿著單一方向鋪展開來。儘管在相反的方向上也會有較小程度的潤濕,但這種潤濕很快就被流體二極管截斷了。

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不止是水,作者還嘗試了乙醇、甘醇(乙二醇)等其他表面張力、密度、潤濕性各不相同的液體,發現這些液體在流體二極管上也有類似現象。這證明,流體二極管具有普遍適用性。

水滴在流體二極管結構上的單向潤濕現象。圖片來源:參考文獻[1]
水滴在流體二極管結構上的單向潤濕現象。動圖來源:參考文獻[1]

不但是科技的躍進,也解開物理學十多年的謎題

可別小看流體二極管的設計,它解決了一個物理學中十多年來都很難解釋的現象。早在2005年,Manoj K. Chaudhury和 Ankur Chaudhury 教授發現,在一個有水滴線性排列的疏水表面上,油在初始狀態時擴展的很慢。但當油逐漸積累、連在一起並覆蓋水滴的時候,油就擴展的很快[8]。這就好比在一個僅一人能通過的胡同(疏水表面)裡,橫著幾座矮牆(水滴),想要過胡同必須要翻牆。最先爬牆的人(油)比較費力,但是當爬過去的人多了,有一部分人就會留在牆根底下幫助其他人,這樣後來的人爬牆就比較容易了。

儘管此後有一些研究試圖解釋這個現象,但對於油如何突破、克服初始階段緩慢擴展的屏障,並沒有人能給出答案,因此這也成了一個懸而未決的謎,直到最近這份研究的問世。

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油在水滴線性陣列中的慢跑與快跑現象。圖片來源:參考文獻[8]

在研究流體二極管中液體的定向流動時,作者發現一個前驅的液體膜起著關鍵性的作用——後續的液體更願意沿著「前人」的足跡前進,先鋒部隊拉動大部隊前進。那麼這個前驅液體膜又是怎麼來的呢?這要歸結於一種叫角流動的現象(corner flow)[9]。用太空人喝咖啡——準確來說是吸咖啡——舉個例子。在太空中失重的條件下,液體的流動是自由無序的。但由於角流動效應的存在,液體更加傾向於沿著杯壁走。

太空人在失重條件下吸咖啡,由於角流動效應,水沿著杯壁流動而非無序飄散。圖片來源:NASA

在拓撲流體二極管中,會有一部分液體優先沿著柵欄的側壁流動,這部分液體抄小路鋪展,因此跑的較快,成為「先鋒部隊」。

拓撲流體二極管的潤濕過程。首先,先鋒部隊超兩邊小路進發,然後,大部隊趕到,與先鋒部隊匯合。緊接著,先鋒部隊再優先潤濕下一個U型島狀結構。動圖來源:參考文獻[1]

這些「先鋒部隊」會優先「抄小路」從兩邊進入到流體二極管的 U 型槽中,形成前驅液體膜,但並不會超過凹角結構的高度。隨後而來的「大部隊」會被凹角結構所阻隔,堆積在 U 型槽裡。當被阻隔的「大部隊」液體積累到一定量時,會突破凹角結構的束縛,並與前驅液匯合,然後,就會發生「水躍現象」(hydraulic jump),「跳過」U 型島障礙,向前流動。所以從整體來看,液體在拓撲流體二極管裡的流動過程並不是連續的,而是像跨欄一樣「一跳一跳」地前進。

高速攝像機下的水躍現象。拓撲流體二極管的正向潤濕依次經過阻隔、合併和水躍過程。動圖來源:參考文獻[1]
流體二極管的側面剖視圖。前驅液膜在流體二極管中對後續液體的正向引導機理。前驅液體(淺藍色)會優先進入到U型槽裡,在前驅液膜的引導下,水的流動依次經過阻隔(pinning),合併(coalescence)和水躍的過程,使水得以快速地向前流動。圖片來源:參考文獻[1]
 

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流體二極管的正向始終處於「導通」狀態,那麼它反向的「阻斷」狀態又是怎麼來的呢?原因還要從表面結構上找。當液體嘗試在流體二極管中反向流動的時候,被凹角結構攔住的液體「大部隊」會從上方潤濕凹角結構,凹角結構擋住了下方的「前驅液膜」,形成凹角阻隔(re-entrant pinning),這樣,後續的液體「大部隊」沒法跟前驅液膜合併,也就不能順利前進了。

流體二極管中微觀結構對後續液體的反向阻斷機理。凹角結構擋住了液體“大部隊”與前驅液膜的合併,阻止了液體的流動。圖片來源:參考文獻[1]

控制液體的單向流動,甚至能克服重力!

儘管壓力大到一定程度的時候,液體仍然會突破凹角結構,但由於流體二極管正向「導通」狀態非常好,使得液體都願意往正向跑,因此反向的壓力很難增加到突破凹角結構的程度,就這樣,反向的「生意」就都被正向搶跑了,這就促成了液體在流體二極管上的單向流動。

研究人員還將流體二極管擺成圓形和螺旋形向大家展示宏觀上,液體自發的、長距離的定向流動現象。更逆天的一點就是,這個傳輸甚至可以克服重力!

液體在圓形和螺旋形流體二極管上的定向流動。動圖來源:參考文獻[1]

那麼流體二極管在實際中會有什麼樣的應用呢?

首先,談到二極管,第一個想到的應該就是邏輯電路了吧。流體二極管可以構建一個個流體的邏輯門,乃至邏輯門陣列——一個流體的「邏輯電路」。這樣的「流體邏輯電路」應用在微流體控制領域,會大大加快製藥、電子冷卻等行業的發展。其次,流體控製或許也可用於散熱。設想一下,如果能讓冷卻液自發地返回到蒸發端,那可以節省多少成本和能量?

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再者,這種液體自發運輸或許還可用於航空航天領域。在微重力的條件下,控制流體運動的方嚮往往需要更多的能量輸入,連喝杯咖啡都要“吸”著喝。拓撲流體二極管可以讓太空人在太空中喝到不用「吸」的咖啡!最後,我們來大膽設想一下,由於流體二極管對多種液體/流體的普遍適用性,不妨假設引進其他形式的流體,如磁流體–流體二極管/邏輯門,控制磁流體定向移動,說不定未來又會玩出什麼樣的黑科技!讓我們共同期待這項前沿技術的發展吧!

參考文獻

  • Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj K. Chaudhury, Zuankai Wang, Topological liquid diode, Science Advances 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao3530.
  • Topology, Merriam-Webster Dictionary, origin: International Scientific Vocabulary
  • Andrew R. Parker, Chris R. Lawrence, Water capture by a desert beetle,  Nature 2001, 414, 33.
  • Jie Ju, Hao Bai, Yongmei Zheng, Tianyi Zhao, Ruochen Fang, Lei Jiang, Nature Communications 2012, 3, Article number: 1247.
  • Huawei Chen, Pengfei Zhang, Liwen Zhang, Hongliang Liu, Ying Jiang, Deyuan Zhang, Zhiwu Han, Lei Jiang, Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata, Nature 2016, 532, 85.
  • Philipp Comanns, Gerda Buchberger, Andreas Buchsbaum, Richard Baumgartner, Alexander Kogler, Siegfried Bauer, Werner Baumgartner, Directional, passive liquid transport: the Texas horned lizard as a model for a biomimetic ‘liquid diode’, Journal of The Royal Society Interface 2015, 12, 20150415.
  • Anish Tuteja, Wonjae Choi, Minglin Ma, Joseph M. Mabry, Sarah A. Mazzella, Gregory C. Rutledge, Gareth H. McKinley, Robert E. Cohen, Designing Superoleophobic Surfaces, Science 2007, 318, 1618.
  • Manoj K. Chaudhury, Ankur Chaudhury, Super spreading of oil by condensed water drops, Soft Matter 2005, 1, 431.
  • Mark M. Weislogel, Seth Lichter, Capillary flow in an interior corner, Journal of Fluid Mechanics 1998, 373, 349.

本文版權屬於果殼網(微信公眾號:Guokr42),原文為〈这个黑科技,终于解决了物理学10多年来悬而未解的迷〉,禁止轉載。如有需要,請聯繫 sns@guokr.com

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停工即停薪:如何證明你的時間值多少?車禍背後的認知 x 情緒 x 金錢 x 法律大混戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/01/09 ・3351字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與 PAMO車禍線上律師 合作,泛科學企劃執行

走在台灣的街頭,你是否發現馬路變得越來越「急躁」?滿街穿梭的外送員、分秒必爭的多元計程車,為了拚單量與獎金,每個人都在跟時間賽跑 。與此同時,拜經濟發展所賜,路上的豪車也變多了 。

這場關於速度與金錢的博弈,讓車禍不再只是一場意外,更是一場複雜的經濟算計。PAMO 車禍線上律師施尚宏律師在接受《思想實驗室 video podcast》訪談時指出,我們正處於一個交通生態的轉折點,當「把車當生財工具」的職業駕駛,撞上了「將車視為珍貴資產」的豪車車主,傳統的理賠邏輯往往會失靈 。

在「停工即停薪」(有跑才有錢,沒跑就沒收入)的零工經濟時代,如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?又該如何在保險無法覆蓋的灰色地帶中全身而退?

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如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?/ 圖片來源: Nano Banana

薪資證明的難題:零工經濟者的「隱形損失」

過去處理車禍理賠,邏輯相對單純:拿出公司的薪資單或扣繳憑單,計算這幾個月的平均薪資,就能算出因傷停工的「薪資損失」。

但在零工經濟時代,這套邏輯卡關了!施尚宏律師指出,許多外送員、自由接案者或是工地打工者,他們的收入往往是領現金,或者分散在多個不同的 App 平台中 。更麻煩的是,零工經濟的特性是「高度變動」,上個月可能拚了 7 萬,這個月休息可能只有 0 元,導致「平均收入」難以定義 。

這時候,律師的角色就不只是法條的背誦者,更像是一名「翻譯」。

施律師解釋「PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言。」 這包括將不同平台(如 Uber、台灣大車隊)的流水帳整合,或是找出過往的接單紀錄來證明當事人的「勞動能力」。即使當下沒有收入(例如學生開學期間),只要能證明過往的接單能力與紀錄,在談判桌上就有籌碼要求合理的「勞動力減損賠償 」。

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PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言 / 圖片來源: Nano Banana

300 萬張罰單背後的僥倖:你的直覺,正在害死你

根據警政署統計,台灣交通違規的第一名常年是「違規停車」,一年可以開出約 300 萬張罰單 。這龐大的數字背後,藏著兩個台灣駕駛人最容易誤判的「直覺陷阱」。

陷阱 A:我在紅線違停,人還在車上,沒撞到也要負責? 許多人認為:「我人就在車上,車子也沒動,甚至是熄火狀態。結果一台機車為了閃避我,自己操作不當摔倒了,這關我什麼事?」

施律師警告,這是一個致命的陷阱。「人在車上」或「車子沒動」在法律上並不是免死金牌 。法律看重的是「因果關係」。只要你的違停行為阻礙了視線或壓縮了車道,導致後方車輛必須閃避而發生事故,你就可能必須背負民事賠償責任,甚至揹上「過失傷害」的刑責 。 

數據會說話: 台灣每年約有 700 件車禍是直接因違規停車導致的 。這 300 萬張罰單背後的僥倖心態,其巨大的代價可能是人命。

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陷阱 B:變換車道沒擦撞,對方自己嚇到摔車也算我的? 另一個常年霸榜的肇事原因是「變換車道不當」 。如果你切換車道時,後方騎士因為嚇到而摔車,但你感覺車身「沒震動、沒碰撞」,能不能直接開走?

答案是:絕對不行。

施律師強調,車禍不以「碰撞」為前提 。只要你的駕駛行為與對方的事故有因果關係,你若直接離開現場,在法律上就構成了「肇事逃逸」。這是一條公訴罪,後果遠比你想像的嚴重。正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。

正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。/ 圖片來源: Nano Banana

保險不夠賠?豪車時代的「超額算計」

另一個現代駕駛的惡夢,是撞到豪車。這不僅是因為修車費貴,更因為衍生出的「代步費用」驚人。

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施律師舉例,過去撞到車,只要把車修好就沒事。但現在如果撞到一台 BMW 320,車主可能會主張修車的 8 天期間,他需要租一台同等級的 BMW 320 來代步 。以一天租金 4000 元計算,光是代步費就多了 3 萬多塊 。這時候,一般人會發現「全險」竟然不夠用。為什麼?

因為保險公司承擔的是「合理的賠償責任」,他們有內部的數據庫,只願意賠償一般行情的修車費或代步費 。但對方車主可能不這麼想,為了拿到這筆額外的錢,對方可能會採取「以刑逼民」的策略:提告過失傷害,利用刑事訴訟的壓力(背上前科的恐懼),迫使你自掏腰包補足保險公司不願賠償的差額 。

這就是為什麼在全險之外,駕駛人仍需要懂得談判策略,或考慮尋求律師協助,在保險公司與對方的漫天喊價之間,找到一個停損點 。

談判桌的最佳姿態:「溫柔而堅定」最有效?

除了有單據的財損,車禍中最難談判的往往是「精神慰撫金」。施律師直言,這在法律上沒有公式,甚至有點像「開獎」,高度依賴法官的自由心證 。

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雖然保險公司內部有一套簡單的算法(例如醫療費用的 2 到 5 倍),但到了法院,法官會考量雙方的社會地位、傷勢嚴重程度 。在缺乏標準公式的情況下,正確的「態度」能幫您起到加分效果。

施律師建議,在談判桌上最好的姿態是「溫柔而堅定」。有些人會試圖「扮窮」或「裝兇」,這通常會有反效果。特別是面對看過無數案件的保險理賠員,裝兇只會讓對方心裡想著:「進了法院我保證你一毛都拿不到,準備看你笑話」。

相反地,如果你能客氣地溝通,但手中握有完整的接單紀錄、醫療單據,清楚知道自己的底線與權益,這種「堅定」反而能讓談判對手買單,甚至在證明不足的情況下(如外送員的開學期間收入),更願意採信你的主張 。

車禍不只是一場意外,它是認知、情緒、金錢與法律邏輯的總和 。

在這個交通環境日益複雜的時代,無論你是為了生計奔波的職業駕駛,還是天天上路的通勤族,光靠保險或許已經不夠。大部分的車禍其實都是小案子,可能只是賠償 2000 元的輕微擦撞,或是責任不明的糾紛。為了這點錢,要花幾萬塊請律師打官司絕對「不划算」。但當事人往往會因為資訊落差,恐懼於「會不會被告肇逃?」、「會不會留案底?」、「賠償多少才合理?」而整夜睡不著覺 。

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PAMO看準了這個「焦慮商機」, 推出了一種顛覆傳統的解決方案——「年費 1200 元的訂閱制法律服務 」。

這就像是「法律界的 Netflix」或「汽車強制險」的概念。PAMO 的核心邏輯不是「代打」,而是「賦能」。不同於傳統律師收費高昂,PAMO 提倡的是「大腦武裝」,當車禍發生時,線上律師團提供策略,教你怎麼做筆錄、怎麼蒐證、怎麼判斷對方開價合不合理等。

施律師表示,他們的目標是讓客戶在面對不確定的風險時,背後有個軍師,能安心地睡個好覺 。平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。

平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。 / 圖片來源: Nano Banana

從違停的陷阱到訂閱制的解方,我們正處於交通與法律的轉型期。未來,挑戰將更加嚴峻。

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當 AI 與自駕車(Level 4/5)真正上路,一旦發生事故,責任主體將從「駕駛人」轉向「車廠」或「演算法系統」 。屆時,誰該負責?怎麼舉證?

但在那天來臨之前,面對馬路上的豪車、零工騎士與法律陷阱,你選擇相信運氣,還是相信策略? 先「武裝好自己的大腦」,或許才是現代駕駛人最明智的保險。

PAMO車禍線上律師官網:https://pse.is/8juv6k 

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平凡結構藏智慧,毛髮打結的微觀探索
顯微觀點_96
・2025/09/28 ・2403字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自顯微觀點

「毛髮打結」的影像看似平凡無奇,卻不僅呈現自然界隱微的結構,還蘊藏著對生命深刻的敬意。憑藉著這幅作品,格爾德.岡特(Gerd Günther)更從全球顯微攝影大賽(2024 Global Image of the Year,IOTY)中脫穎而出,榮獲材料科學優勝獎。

圖/顯微觀點

令人驚嘆的是,獲獎者岡特的本業並非科學家或攝影師,而是一位農場主人,顯微攝影只是他「業餘」的愛好。

岡特於1958年出生於德國杜塞道夫;中學畢業後,於哥廷根大學學習農業科學,並從1986年後一直在杜塞道夫以自耕農為業。

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好奇的種子在顯微鏡下發芽

1970 年代,岡特中學期間,受到學校老師啟發開始接觸顯微攝影,讓他對這陌生又熟悉的結構產生濃厚興趣。當時岡特使用黑白底片,留下顯微攝影最初的記憶。直到 2000 年左右,數位時代來臨、數位相機系統問世,顯微攝影門檻下降,他才開始專注於顯微攝影的創作。

「……仔細觀察自然界中常見的事物,可以發現意想不到的特質,令人心生敬畏……我的目標是將普通的課本知識提升到知識認知和理解的層面,使欣賞成為一種享受。 」-《一粒沙中:探索大自然的設計》,安德烈亞斯‧費寧格(A. Feininger,1986

這句費寧格的話醒目地呈現在岡特架設的顯微攝影作品網站中,宛如一盞明指引創作方向的明燈,點明岡特攝影的核心理念。也透露出他的攝影品大多出自於對自然的敬畏以及日常平凡細節的好奇心,讓科學變得富有美感與哲理。

「你只需走出家門,就能進入微觀世界」,岡特認為顯微攝影最吸引人之處在於,不需長途跋涉,就能不斷發現新的結構、形狀、生命形態和色彩。而驅動他持續探索微觀世界的動力,是對大自然無盡的好奇,以及對迷人卻隱而不現寶藏的嚮往。

因此,從植物的葉脈到昆蟲的鱗片、從肥皂泡泡到礦物晶體,都是他顯微鏡捕捉的影像。為了呈現更完美的影像,他也會在閒暇時,利用各種DIY小工具改良拍攝流程,讓作品兼具科學性與美感。

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連結萬物平等的生命之結

2024全球顯微攝影大賽的獲獎作品《馬鬃與人髮之結》則是岡特探索微觀世界精神的最佳表現。

格爾德.岡特(Gerd Günther)。圖片/IOTY官網

這幅作品將馬鬃與人髮精心打結後(縱向人髮、橫向馬鬃),以明視野方式進行拍攝。透過150倍放大的視野,觀者得以清晰地看見兩種毛髮的粗細差異,但無論是人髮還是馬鬃,其外層覆蓋著如同魚鱗般的角蛋白鱗片,結構幾乎別無二致。

評審團盛讚這副影像是「視覺上極具感染力的證明:生命的共通性遠比差異更顯著。」

「我每天都與馬打交道,我對人髮和馬鬃在強度和外觀上的差異很感興趣」,岡特提到要創造出這幅看似簡單的作品,過程其實非常困難:要將兩根細小的毛髮打結並固定在顯微鏡下,需要極高的耐心與精細技巧。他嘗試了無數次,才終於拍到滿意的影像。

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對岡特而言,這件不僅包含紀實元素也蘊含情感的作品,除了象徵人類與動物之間的友誼外,人髮與馬鬃在結構上的相似性,也提醒我們所有哺乳動物,乃至所有生物之間的聯繫,遠比我們想像的緊密許多。也因此,應該對地球上所有生物都給予同等的尊重。 岡特的生活依舊以農耕為主,但科學觀察以及對顯微世界藝術性的獨到見解,讓他經營的那片農場,不再只是農務勞作的場所,而是他日復一日汲取靈感的起點,也透過顯微鏡折射出他對自然的無盡好奇。

參考資料

延伸閱讀

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通向未來的原子薄膜:二維材料
顯微觀點_96
・2025/09/02 ・4123字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文轉載自顯微觀點

在古典科學觀念中,材料在物理學上的內含性質(intensive property)就如同它們的指紋,足以辨識材料成分的身分、本質,不會因材料大小、形狀而改變。但是 21 世紀的科學家卻發現,將材料剝離分解到無法更薄、僅剩 1 層原子厚的二維平面,竟會出現超導體、超流體、活躍強健的激子等奇特現象,與原本的物理性質大異其趣。

這種新興的「二維材料(2-dimensional materials)」物理不僅召喚著科學家的濃厚好奇心,也具備科技創新的潛力。要探究二維材料這些超越既有材料科學認知的神祕特性,就要從量子世界中的電子行為「能帶理論」談起。

決定材料性質的電子能帶

能帶理論(Energy Band Theory)是以高低不同的「能量帶」空間觀念,對晶體中的電子行為進行解讀:電子平時處於能量較低的價電子帶(亦稱價帶,covalence band)。此能帶的電子受到原子核束縛,不能自由運動,且許多電子塞滿其中,沒有流動空間,因此價帶中的電子不能導電。

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若從外來光子獲得足夠能量,電子會躍升到傳導帶(亦稱導帶, conduction band),在此空間充沛的能帶,電子能夠自由移動,在外部電場的作用下形成電流、展現出導電性。

電子能帶中的「能隙」大小,左右著電子躍升導帶的難易,也決定了材料的導電性。

導帶、價帶之間的能量帶稱為「能隙(band gap)」,是電子無法停留的能帶位階,不同種類晶體的能隙大小不同,電子由價帶升往導帶的難易度因此相異。若價帶電子得到的外來能量並未超過能隙大小,就沒辦法升往導帶。

金屬晶體具有極小的能隙,某些金屬的導帶與價帶甚至重疊,因此電子可以輕易進入導帶,展現出良好導電性。而絕緣體的能隙極大,電子難以躍升到導帶,因此困在價帶,無法導電。半導體介於金屬與絕緣體之間,在適當的能量激發或能隙調整下,就能展現導電性,人類得以調控電訊號。

備受眾望的石墨烯,終究因為其沒有電子能隙、導電性過佳,難以成為實用的半導體材料。但是另一種二維材料:過渡金屬二硫族化物(Transition Metal Dichalcogenides, TMD)卻展現出了可調控的導電性,讓半導體產業界的希望之火繼續燃燒,也為物理學界展開寬闊的未知境地。

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未來的超級材料:TMD

TMD二維材料的大型原子之間具有原子核、電子的相互作用,產生一般材料罕見的超導特性與巨磁阻,成為具備高潛力的半導體材料。從上方觀察,TMD如石墨烯一般形成六角形晶格平面,但從側面看,會發現上下兩層硫族原子將金屬原子夾在中央,猶如一個原子三明治。

單層的 TMD 結構,從側面看到三層原子面(a),從上方看則有類似石墨烯的六角形晶體(b)。Source: Wikipedia

在TMD的原子三明治菜單上,二碲化鎢(WTe2)、二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)、二硒化鉬(MoSe2)、二硒化鎢(WSe2)等,都是極具潛力的二維層狀半導體材料。

這些潛力TMD與石墨烯相似的不僅是晶格排列模式,同時它們也具有強力的層內共價鍵與薄弱的層間凡德瓦力,這種力量分配讓它們更容易剝離成單層結構。相較之下,其他材料(例如純金屬)通常具備延伸共價鍵或金屬鍵,材料塊不容易層層剝落、難以形成單層二維材料。

TMD 單層分子平面成形之後,電子能帶結構會從原本的間接能隙轉變為直接能隙,使互相吸引的導帶電子與價帶電洞(即為激子)結合時直接放出光子。在間接能隙結構中,激子結合的能量會轉換為熱能,不利於能量或訊號傳輸。單層 TMD 的直接能隙則讓它們在光照之下,可以透過電子活動而激發出螢光,成為光致發光(photoluminescene)的良好材料。

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硒化鍺(GeSe)與硒化錫(SnSe)的二維材料形成異質結構,並以石墨烯為基板,展現出不同的物理特性。電子便在此有限的空間架構中,展現出異於常態的行為。

矽或鍺等等電子元件常見材料,在二維狀態下依然保持間接能隙,能量會化為熱能,不會轉換為光。因此 TMD 二維材料取代傳統材料,成為產業界創新光電材料的希望所在。

透過顯微操作,科學家更利用 TMD 的層間凡德瓦力,將不同的 TMD 二維材料疊合、錯位,形成異質結構(Heterostructures),透過材料堆疊位置調整電子能帶,產生如超導體或莫特絕緣體等特殊物理現象。就像在玩奈米尺度的樂高積木,只是成果比樂高更令人驚奇。電子在異質結構中產生的新奇行動模式,有機會應用在量子計算、奈米元件等領域。

此外,TMD 二維材料本質上比石墨烯更加特殊之處,是其中的金屬原子質量較重,導致更強的電子自旋-軌道耦合(Spin-Orbit Coupling, SOC)效應,於是 TMD 在 2 個電子能谷(Energy Valleys)中表現不同的電子特性,使科學家能夠操縱電子的「谷自由度」來進行訊號傳輸(類似1與0的二進位訊號)。

透過不同於傳統半導體的超導、絕緣、谷電子學性質,TMD 二維材料可以提供極快速、低耗能的訊號調控與傳導,在小於奈米的空間中,也能保持訊號精確。此外,由於激子的活動現象,二維材料也更有機會實現利用光子傳輸訊號的計算機元件。

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在家裡研究量子物理

提及激子的研究方法,台灣大學人工低維量子材料物理實驗室(Quantum Physics of Artificial Low-dimensional Materials Lab, 又稱 QPALM 實驗室)主持人陳劭宇解釋,雖然量子力學被多數人視為難以捉摸的神秘領域,但製作二維材料的方法卻可以非常貼近日常生活。

陳劭宇副研究員除了專精於二維材料的實驗設計與操作,也積極推廣二維材料物理的知識與重要性。攝影:楊雅棠

陳劭宇說,「我們實驗室最常用來製作二維材料的工具,你一定也用過,就是有名的 Scotch Tape 法。」

Scotch Tape 法又稱機械剝離法(exfoliation):使用膠帶黏住小塊材料,材塊對面再以膠帶黏貼,接著將兩側膠帶撕開,就會將材料一分為二。如此反覆黏撕,最後出現極為單薄的單層二維材料。這也是當年海姆(A. Geim)與諾沃蕭洛夫(S. Novoselov)將石墨塊製作成單層石墨烯、邁向 2010 年諾貝爾物理學獎的方法。陳劭宇團隊則更進一步,對各種材料塊採用不同的膠帶,以得到最佳的剝離效果。

若你在生活百貨結帳時遇見購買各式膠帶的顧客,除了封箱收納,他也可能是位準備動手研究量子物理的科學家。

得到單層材料之後,科學家透過顯微操作將其放上六方氮硼(h-BN)等基材,再加熱使膠帶與二維材料分離。材料與操作方法相當平易近人,卻可以結合顯微觀察、拉曼光譜等方法從中測得奇妙的量子物理現象。

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QPALM 實驗室的研究生正在利用膠帶製造二維材料。攝影:楊雅棠

陳劭宇回憶道,「這是可以自己『在家動手做』的物理研究,在 COVID-19 疫情嚴峻隔離的時候,我們輪班工作、不能持續待在實驗室。只好自己組裝一台顯微鏡,用不同的光線觀察二維材料,竟因此發現某些材料在特定顏色光照射下,才有辦法清晰觀測。」

這個發現雖然尚未發表,但也成為他的實驗秘技之一。而當時「在家動手做量子物理」的研究過程也錄製成影片,作為疫情期間透過網路推廣科學的素材。

在二維材料研究中,材料層數是最重要的數字,而光學顯微鏡就在材料層被剝離後,擔任檢驗的工具。陳劭宇說,不同的材料有各自適合的顯微觀察方式,從常見的穿透光、反射到微分干涉(DIC)顯微術都是他會採用的方法。

確認材料層數之後,便能以光、電與材料互動,或是疊合異質材料,並以顯微鏡或拉曼光譜儀觀測,針對觀測結果進行運算,實驗人員可以得知二維材料的激子束縛能、能量轉換、導電性等物理特質。

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例如,因為二維材料的層間空間極小,因此受到激發的電子可能移動到相鄰的異質材料層,而其相應的電洞還停留在原本材料層,電子與電洞在不同材料層互相吸引,形成奇妙的跨層激子(interlayer excitons),產生新穎的電學、光學、磁學現象。

陳邵宇舉例,暗激子的超流體狀態就是其中一種神奇現象。他說,「超導體的節能來自於傳輸電荷時不耗能,而超流體則是粒子移動時不耗能。若能控制超流體狀態的激子,我們就能得到超級節能的元件。」

陳劭宇闡明,超流激子在理論上已被預測,但還沒有人在實驗中成功操縱這項性質。他表示,控制超流激子是物理學界共有的、也是他個人追求的遠大目標之一。二維材料中包含超流體、高效率光電轉換等特質,為未來科技開創了廣大的可能。在陳劭宇等物理學家的持續投入下,我們有機會親眼見到他們利用輕於鴻毛的二維材料,實現宏大的未來科技。

(更多深入淺出的二維材料知識,請看降維展開新宇宙:陳劭宇和激子物理

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參考資料

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。