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不傷地球不傷紙 雷射除墨新技術

Trr. 特誌_96
・2012/03/26 ・792字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

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雷射印表機現在已經是相當普遍的辦公室印刷設備,但印出之後不需使用的文件該怎麼辦呢?雖然紙張可以回收,但是考慮到再生過程中耗費的成本以及再生紙的品質,是不是可以有更環保的做法呢?

英國劍橋大學的研究團隊開發出了一項雷射除墨技術,能夠消除紙張上的雷射墨粉,將文件還原回一張張乾淨的白紙,同時不會傷害紙張纖維,馬上就可以重複使用。雷射除墨可能還比傳統的紙張回收更環保,因為其過程中產生的碳排放,估計最多只有紙張回收的一半,而且在最佳情況下的效率幾乎高達20倍之多。

雷射印表機的作用原理是將帶有正電的像素以雷射照射、轉印到紙上,吸附負電的墨粉,之後再透過加熱將墨粉固定在紙張表面上。劍橋大學的除墨技術是以高能級的雷射光融化--或者說蒸發--紙上的墨粉,同時將雷射光的能量等級控制在不損傷紙張纖維的程度。主持研究團隊的David Leal-Ayala表示,雷射墨粉的主要成分是碳粉和塑膠聚合物,在雷射去墨過程中蒸發的就是這些聚合物。根據研究團隊到目前為止的測試結果,在紙張受損開始發黃之前,這項雷射除墨技術可以在同一張紙上使用二到三次。

劍橋大學的研究團隊坦言,他們並不是第一個想出紙張除墨這個概念的人;日本東芝公司(Toshiba)就擁有一項專利除墨技術「e-blue」,就像以往的感熱傳真印刷一樣,印刷的字樣在適度光照下會褪色消失。但劍橋大學的除墨技術不同於東芝,可以應用在所有雷射印刷機器上,以目前雷射掃描和雷射噴墨印表機普遍使用的市場現況看來,只要與商用印表機整合,這項技術就能普及,為環保印刷開創另一片天。

論文連結:Toner-print removal from paper by long and ultrashort pulsed lasers–Proceedings of the Royal Society

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水的性質國中不是學完了嗎?竟然還跟「量子效應」有關?
linjunJR_96
・2021/10/03 ・2111字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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圖/Pixabay

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡,無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水,事實上,它可是宇宙中第三多的分子。

不過,時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費,是為了探索未知的星系或癌症的解藥,但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷,而是水分子雖然十分常見,但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得:「水的性質不是國中就都教過了嗎?」。不過就跟所有其他東西一樣,事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起,就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石,普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外,關於過冷(低於冰點卻不結冰)這種奇怪的現象,至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定,蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾,但對於水蒸發的速率,卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時,某些分子被撞出液態的水,因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目,但以往的許多結果卻時常出現分歧,差距高達三個數量級(也就是一千倍)!

我們經常以水作為物質三態變化的例子,但其中的細節其實還有待研究。圖/WIKIPEDIA

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題,例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發(喝水一口都比 18 克還要多),就必須同時計算 6 × 1023 個水分子的狀態,以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題,需要一些相當進階的實驗與理論方法,而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外,就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構,兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格,所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說,原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關,相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 [1]

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解,得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀,其中氧帶較多負電,氫帶較多正電,所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力,也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵,水才能夠組成上面提到的各式結構。

水分子間的氫鍵(標示 1 處)3D 模型。圖/WIKIPEDIA

不過,用來解釋氫鍵的質子與電子,都是量子力學適用的尺度,而氫原子的嬌小身材,讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為,如果將量子效應納入水分子結構理論模型,或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期,史丹佛直線加速器中心(SLAC)的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測,從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱,作為探測的樣本。在這麼細的水柱中,每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動,實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」,利用電子束散射的結果,分析水分子每個瞬間的分子結構。

圖/Pexels

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度,而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時,氫原子會先將鄰近的氧原子拉近,再拉開距離,一切都在幾皮秒(10-12 秒)內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪,研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬,他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型,為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門


以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換,而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵,在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量,也為科學家開啟更多的機會,去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水,我們還有許多不知道的事。也因為如此,網路上常常能看到「小分子團水」,「能量水」等等的健康廣告,讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行,或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料:

  1. https://pansci.asia/archives/194118
  2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
  3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
  4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water
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不傷地球不傷紙 雷射除墨新技術
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雷射印表機現在已經是相當普遍的辦公室印刷設備,但印出之後不需使用的文件該怎麼辦呢?雖然紙張可以回收,但是考慮到再生過程中耗費的成本以及再生紙的品質,是不是可以有更環保的做法呢?

英國劍橋大學的研究團隊開發出了一項雷射除墨技術,能夠消除紙張上的雷射墨粉,將文件還原回一張張乾淨的白紙,同時不會傷害紙張纖維,馬上就可以重複使用。雷射除墨可能還比傳統的紙張回收更環保,因為其過程中產生的碳排放,估計最多只有紙張回收的一半,而且在最佳情況下的效率幾乎高達20倍之多。

雷射印表機的作用原理是將帶有正電的像素以雷射照射、轉印到紙上,吸附負電的墨粉,之後再透過加熱將墨粉固定在紙張表面上。劍橋大學的除墨技術是以高能級的雷射光融化--或者說蒸發--紙上的墨粉,同時將雷射光的能量等級控制在不損傷紙張纖維的程度。主持研究團隊的David Leal-Ayala表示,雷射墨粉的主要成分是碳粉和塑膠聚合物,在雷射去墨過程中蒸發的就是這些聚合物。根據研究團隊到目前為止的測試結果,在紙張受損開始發黃之前,這項雷射除墨技術可以在同一張紙上使用二到三次。

劍橋大學的研究團隊坦言,他們並不是第一個想出紙張除墨這個概念的人;日本東芝公司(Toshiba)就擁有一項專利除墨技術「e-blue」,就像以往的感熱傳真印刷一樣,印刷的字樣在適度光照下會褪色消失。但劍橋大學的除墨技術不同於東芝,可以應用在所有雷射印刷機器上,以目前雷射掃描和雷射噴墨印表機普遍使用的市場現況看來,只要與商用印表機整合,這項技術就能普及,為環保印刷開創另一片天。

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能源效率超過 100%?3D 太陽光熱蒸發器淨水器設計大躍進
linjunJR_96
・2021/05/14 ・2306字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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台灣目前面臨數十年來最嚴重的乾旱危機,不過缺水的可不只有我們。此時此刻,全球共有十四億人口無法享有穩定的乾淨水源,也就是說每五個人之中就有一個人不時需要為用水所苦。這個比例在未來預計仍會持續增加。

雖說地球表面上有 70% 被水覆蓋,不過其中只有不到 3% 是淡水,其餘都需要經過一番功夫來取得或淨化,才能被進一步利用。再加上氣候變遷,人口成長等因素,使得原本珍貴的水資源更加稀少。在聯合國 2015 年公布的永續發展目標中,第六項便是「確保所有人都能享有水及衛生及其永續管理」。

因此,淨水技術的發展與優化,便成為重要的課題。部分地區的人民無法享受公共自來水的服務,也沒有錢或能源進行逆滲透等傳統淨水方法;他們需要的是輕便便宜的淨水裝置。

「光熱材料」面對熱能散失的瓶頸

其中一個解法是日光蒸發:利用陽光將水蒸發淨化。不過稍微想一下:即便是在最刺眼的陽光下,要將一小盆水蒸乾可能還是得花上一整天。因此只靠太陽輻射的「熱能」是不夠的,需要額外將太陽的「光能」轉為熱。執行這個任務的物質被稱為「光熱材料」

水在沸點才會「沸騰」,但在任何溫度都能「蒸發」。而且水在蒸發時會帶走非常多的熱能,讓 1g 水蒸發所需的熱能比水從 0°C 加熱至 100°C 還要更多。圖/wikimedia

如果將一片透氣的光熱材料放在水上,的確可以增加水接觸熱源的表面積,並蒐集到更多水氣,加快淨水效能。然而在這個過程中,許多熱能都散失到周遭空氣以及下方水體中。水的比熱又特別大,這麼做等於是將辛苦收集來的太陽能全部丟進水溝。因此,以往的光熱蒸餾法往往無法提供足夠的蒸發量,也不能解決實際的用水需求。

真心不騙,新蒸發器能源效率 100%!

由於傳統光熱蒸發器的效率低落,南澳州大學未來產業學院的徐浩蘭(Haolan Xu)教授開發出了新一代的 3D 光熱蒸發器。這款發明標榜:「能源效率 100%」。這可不是什麼內容農場的標題。特殊的 3D 設計讓它不只能完整運用所有太陽能,還能從外界環境偷取更多能量!

這種蒸發器長得並不起眼,像一大塊黑色的菜瓜布。這是因為黑色的光熱材料被製成了噴霧,噴在彈簧支撐的棉布纖維上。蒸發器的頂端負責吸收太陽能,轉換成熱能;同時,水分被吸收到纖維中,並在加熱之下從蒸發器的表面蒸發。

3D 太陽能蒸發器示意圖。圖/參考文獻 2

以上原理跟以往的光熱蒸發器沒什麼不同,這次發明的真正突破其實是直立於水上的立體結構,在新型設計中,立體結構擁有較大的側面面積,這些表面相對不會接收到那麼多陽光,卻能夠持續蒸發,排出熱能和水氣。由於水蒸發的過程會帶走相當可觀的熱量(所以雨後的空氣總是格外涼爽),這讓蒸發器不會一直升溫,而是會在「太陽加熱」和「蒸發散熱」兩者之間取得平衡。

也就是說,藉由增加水蒸發表面積,來增加水蒸發量,以提升水蒸發所需要的熱。由於水蒸發所需要的熱變多,但蒸發器從太陽吸收的熱並沒有變多,因此蒸發所需的熱只能從原本造成蒸發器溫度上升的熱來獲取

而當蒸發所需要的熱,與蒸發器從太陽吸收的熱相等時,這時蒸發器的溫度就不會改變,而所有從太陽吸收的熱,就會全部用於水蒸發上,這就是前面提到 100% 能源效率。

蒸發器的立體結構設計增加了冷蒸發表面的面積,使得材料表面溫度低於環境水溫氣溫,得以逆轉先前蒸發器的熱能散失至環境中的問題,讓熱能得以從環境反向流向蒸發器系統。圖/參考文獻 3

當蒸發吸收的熱,大於陽光提供蒸發器時,這時蒸發器的溫度反而會因水蒸發而下降,熱甚至會從較高溫的水體與周遭空氣流進蒸發器!研究結果顯示,如果加上從周遭環境流入的熱能,這種蒸發器的能源效率直接破表,高達 178%。也就是說,除了原本的太陽光熱 100% 用於蒸發所需要的熱,環境的溫度差還會再額外提供 78% 的熱用於表面蒸發。

簡單設計為水資源危機帶來希望

徐浩蘭教授驕傲的表示,主動從外界汲取能量的光熱蒸發器是世界首創。有了這種技術的加持,蒸發器的效能大幅進步,來到每天每平方公尺 10 ~ 20 公升。此外,這個設計的造價低廉,材料也相對容易取得,不需要專業知識背景就能操作與維護。內部的彈簧讓整個裝置可以被壓縮收納,攜帶與架設都十分方便。

新一代的 3D 光熱蒸發器其實沒有用到什麼新奇的科學原理。其中使用的光熱材料和將其拿來淨水的想法,在幾年前便都已存在。但是透過結合既有材料,並針對需求加以設計,此次創舉或許能真正為缺乏水資源的家庭與社區帶來希望。若你想成為拯救世界的發明家,除了實驗室中的科學技術,更重要的或許是人的需求。

除了用來蒸餾飲用水,類似的技術還有很多可能的應用方向,例如工業廢水處理等等。徐浩蘭教授和他的團隊接下也會持續往這個方向發展,期許未來能為人類的水資源危機帶來更多創意十足的解方。

參考資料

  1. Sunlight to solve the world’s clean water crisis
  2. Gao, T., Wu, X., Wang, Y., Owens, G., & Xu, H. (2021). A Hollow and Compressible 3D Photothermal Evaporator for Highly Efficient Solar Steam Generation without Energy Loss. Solar RRL, 2100053.
  3. Wang, Y., Wu, X., Yang, X., Owens, G., & Xu, H. (2020). Reversing heat conduction loss: Extracting energy from bulk water to enhance solar steam generation. Nano Energy78, 105269.
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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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雷射印表機的作用原理是將帶有正電的像素以雷射照射、轉印到紙上,吸附負電的墨粉,之後再透過加熱將墨粉固定在紙張表面上。劍橋大學的除墨技術是以高能級的雷射光融化--或者說蒸發--紙上的墨粉,同時將雷射光的能量等級控制在不損傷紙張纖維的程度。主持研究團隊的David Leal-Ayala表示,雷射墨粉的主要成分是碳粉和塑膠聚合物,在雷射去墨過程中蒸發的就是這些聚合物。根據研究團隊到目前為止的測試結果,在紙張受損開始發黃之前,這項雷射除墨技術可以在同一張紙上使用二到三次。

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真正的隨機:史上最速亂數產生器
linjunJR_96
・2021/04/12 ・2451字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

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圖/wikipedia

隨機性,在許多領域都扮演了不可或缺的角色。例如電腦信息的加密,還有模擬複雜物理系統等技術,都需要用到巨量的亂數資料。不過,這些隨機是怎麼來的呢?

當電腦計算 1+1 是多少時,它可以遵從既定的程序算出正確答案;但如果叫電腦隨便給你一個數字,它肯定不知道該怎麼辦。畢竟電腦不像人,可以隨便「想到」一個數字。電腦只能根據你的命令,算出你要的結果。

要得到「真正的隨機」並不如想像中簡單。當我們到廟裡擲筊,或是玩桌遊時丟骰子,得到的結果看似沒有規律,但其實不然。它們可以用簡單的電腦計算來預測,像是丟硬幣的結果,便早已被研究透徹。只要對初始條件有足夠良好的掌握(像是丟出的速度與角度等等),這類物品的行為都能用兩百年前確立的力學定律來精準預測,因此稱不上是「真正」的隨機;另外一個缺點在於,這類方法產生隨機結果的速度實在太慢,跟不上現代社會對於隨機資料的龐大需求。

對於丟硬幣的結果,只要對初始條件有足夠良好的掌握,這類物品的行為都能用力學定律來精準預測,因此稱不上是「真正」的隨機。圖/Giphy

至於使用電腦計算的結果呢?常見像是串流平台的隨機播放功能,以及粉專抽獎會用的亂數產生器,它們所呈現的隨機是演算法算出來的。隨機播放功能利用特殊的演算法,排列出一個讓你聽起來很隨興的歌單;一般的電腦亂數,只是將特定的「種子」數字丟進一個超複雜的算式,算出成串毫無規律的數字。這些方法雖然快速又實用,但終究是可以預期的。當亂數數量夠多時,往往可以發現某些規律;而可被預期的亂數若是用於加密或認證,便會成為駭客眼中的肥羊

由量子世界尋求真正的隨機!

既然手邊的物品和電腦都不管用,科學家於是轉向微觀的量子世界。量子物理對世界的描述本身就是機率性的,因此物理學家可以從實際測量結果中汲取「正港的」隨機亂數。像是物質的放射性衰變或電路中的雜訊,都是常見的選項。這類過程雖然可以確保隨機性,但效率還是稍嫌太差,相關的實驗架設也相當費工。

不過就在今年二月,研究人員利用半導體雷射技術,打造出有史以來最快的亂數產生器:每秒 250 TB 的隨機位元,比先前的紀錄高出一百多倍。

雷射的產生牽涉到原子內的「電子躍遷」。在一般狀態下,大部分原子中的電子會按照高中化學課本中提到的「電子軌域」排列,這種排列方式稱為「基態」,代表原子中的所有電子,都處在最低能量狀態。

在原子接收一定的能量後,會有部分電子跳入高能量的軌域中,變成「激發態」,這時原子內的電子組態不穩定,電子會跳回低能量軌域中回到「基態」,並以光(輻射)的形式放出能量。圖/wikipedia

在原子接收一定的能量後,會有部分電子跳入高能量的軌域中,變成「激發態」,這時原子內的電子組態不穩定,電子會跳回低能量軌域中回到「基態」,並以光(輻射)的形式放出能量。

而這些跳回的電子,如果都從同一個激發態回到基態,就會釋放出特定「頻率」與「能量大小」的光,以愛因斯坦的說法,從相同的激發態回到基態,會得到固定的「光子」,這是舊量子論的重要發現之一。提供原子特定的能量,讓原子放出光子,就可以激發出雷射。

利用電子躍遷的隨機性

但這件事情跟隨機性有什麼關係呢?電子躍遷本身就是具有隨機性的。

要激發雷射,其實事情並沒有那麼簡單,需要克服這個機率性。讓我們回頭看上面的敘述,「『大部分』原子中的電子會按照……」、「在原子接收一定的能量後,『有部分』電子跳入高能量的軌域中」,這些「大部分」、「有部分」,使得我們就算給原子固定能量,也未必能平穩釋放出特定光子,讓雷射光的強弱不穩定,也不會朝同方向射出。

因此雷射技術的重點之一,就是「光學共振腔」,將激發光子的物質放在共振腔中,放出的光子會在共振腔中來回游走,再次激發原子放出更多的光子,來增強雷射強度,並讓雷射光往特定方向射出。

但是,「光學共振腔」強化雷射強度以及方向,但實際上雷射光的強度,仍然是由量子力學的隨機性所決定!如果我們能用感光元件捕捉雷射光線起伏不定的強度,再轉換為數位訊號,就能獲取珍貴且無法破解的隨機亂數。

蝴蝶結狀「光學共振腔」

這種想法雖有十幾年的歷史,不過由於技術上的限制,產率一直相當有限。而且一般方形共振腔產生的雷射,容易讓光強度陷入特定的規律,產生的隨機性也較低。為了解決這個問題,研究人員將共振腔的形狀改良為蝴蝶結狀。如此一來,在其中反彈的雷射光便能保有其當初紊亂的特性,且往特定方向射出。

隨機的雷射光源被 254 像素的高速攝影機拍下,每個像素受到的光強度也被證實為相互獨立,因此成就了 254 條同步生產線,一同產出隨機亂數,使效率遠遠勝過以往一次只能記錄一個像素的做法,創下每秒 250 TB 的紀錄。

現今電腦運作的時間尺度最快不超過幾 GHz,因此這次的 250 THz 創舉難以發揮全部的實力。如果犧牲一些效率,用較簡單的偵測裝置來取代高速攝影機,可以讓整個裝置變得更加輕巧,提升實用性。在不久的將來,史上最速的亂數產生機制,或許可以直接容納於單一晶片之上。

參考資料:

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