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電子元件 BANG 不見:可分解元件和你一起環保愛地球!

活躍星系核_96
・2018/09/28 ・1924字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級
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  • 首圖說明:一支手機報廢會產生多少的環境負擔?現在動輒一兩年一換的高淘汰速度,讓電子廢棄物成為難以忽視的垃圾處理問題。 圖/Bru-nO @Pixabay
  • 文/傅楷崴、李荐軒 │ 臺灣大學物理學系二年級學生

電子元件方便了我們的生活,那環境呢?

過去電子元件的設計常常以耐用性使用年限為指標,卻也因此讓廢棄的電子產品難以處理,而且電子元件在焚燒後對環境往往會造成難以處理的污染。這些大量生產且包羅萬象的元件,在講求環境保護的時代下逐漸成為了一個重大的汙染議題。有沒有什麼好的方法可以在電子元件的需求和環境友善的趨勢間取得平衡呢?試想,如果日常生活中常見的元件,例如電阻、電容等,能夠利用生物體本身即具有的元素製作,不僅能夠在拋棄後自然分解,更能確保無害環境,不是就兼顧了科技需求與環保嗎?事實上,這一切絕不是空想,所謂可在特定條件下被分解的暫態電子元件(transient electronics),便能提供上述問題的答案。

暫態電子元件的原理及製程是什麼?

先前學術上關於暫態電子元件的研究,通常以浸泡水溶液作為分解條件,再利用電子元件的材料特性,設計出可被溶解的電路。一般來說,材料的選擇與製作方法會決定分解的時間快慢,得以溶解的箇中關鍵便是使用矽的奈米薄膜作為電子元件的基板,再搭配鎂及氧化鎂作為電極及介電質。這種特殊結構使原本需千年溶解的矽質,得以在數週內完全分解,再加上可快速溶解的鎂與氧化鎂材料,最終讓整個電路都可溶於水。1

除了溶解的方式,科學家們也發現了以溫度驅動分解的可能性:如果基板採用奈米纖維結構的聚己內酯,當溫度超過熔點時,奈米纖維結構便會崩解,進而帶動其上的超薄電子元件同步分解。2

早期研發的水溶性電路,雖然有一些溶解條件限制,仍已經發展出十分成功的應用。其中一個例子為追蹤漏油事件的感測元件,若是發生漏油事件,透過此類裝置進行追蹤,就能在一段時間後被海水而分解消失,免去回收儀器的過程。另外,骨頭受傷的病患也能植入以暫態元件製成的儀器,形成電訊號刺激,加快恢復速度;這類元件能直接在人體內分解,便能免去將儀器取出的手術,降低感染的可能性。3

將水溶性元件植入老鼠體內。 圖/詳見注解 [3]

一定要泡在水溶液裡,或受熱才能分解嗎?

在最新的研究中4,科學家們又有了進一步的突破:以空氣中的濕度觸發分解機制。研究團隊以聚酸酐為基板,利用其遇濕氣水解產生有機酸的特性,使電子元件在酸中被分解。

此研究經由控制濕度,以及合成聚酸酐時聚乙二醇的濃度,來調控電路的分解時間,並測試不同元件(如 IGZO 電晶體)和材料(如銅、鎳、鋁)在酸中的分解速度。

圖/詳見注解 [4]

上圖顯示銅鍍膜在不同濕度(A, B 聚乙二醇濃度固定)、不同聚乙二醇濃度(C, D 濕度 75%)下,聚酸酐基板上的分解反應,可看到在濕度 0% 時,基板可穩定存在,但若濕度增加,則完全分解。並且,若是在製程中提高聚乙二醇的濃度,遇水氣後的分解速度也隨之增加。此作法與先前所提研究相比,最大的優點是能使用多種的材料作為電子元件,不須受限於水溶性;在生物體中使用時,也可選擇無法生物降解的原料,只要在酸中分解的產物能被代謝即可,例如:大部分金屬及其氧化物,在生物體內可先被酸分解成離子型態,再隨水代謝排出。

結論與展望

由以上討論,希望大家對於何謂暫態電子元件有初步的了解。此技術發展之初,元件的分解侷限於水溶液中,又因生物體中包含體液,所以應用的討論偏向於醫療方面,如前文提及之骨頭受傷的例子。然而,最新的研究裡,已經能讓暫態元件的技術跳脫水溶液的「框架」,從而更廣泛地運用在日常生活中。

只要利用對生物無害的暫態材料製作電子產品,並在製程上調整原料比例,使分解時間得以配合產品的使用年限,便能大幅降低多餘的電子廢棄物,解決當今電子垃圾直接填埋或焚燒的問題。至於應用方面,美國伊利諾大學厄巴納─香檳分校的教授指出,未來的日常電子用品,無論是手機或是手提電腦,都有機會利用此類元件製作。雖然這項技術相當新穎,尚未能大規模地商業化,但相信暫態電子元件在我們的未來,具有成為舉足輕重角色的潛力。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助,亦感謝林芳伃和徐才烜在編修過程中提出建議。

注解:

  1. Huanyu Cheng, Vikas Vepachedu(2016). Recent development of transient electronics
  2. Yang Gao(2017). Thermally Triggered Mechanically Destructive Electronics Based On
    Electrospun Poly(ε-caprolactone) Nanofibrous Polymer Films
  3. Foram Kamdar(2013). Transient Electronics. Advance in Electronic and Electric Engineering. ISSN 2231-1297, Volume 3, Number 7 (2013), pp. 833-838
  4. Yang Gao(2017). Moisture-triggered physically transient electronics. Science Advances , 3(9)​, e1701222.
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「癌症預防」更進一步:台灣光子源解出「肝癌衍生生長因子」誘發癌症機制
PanSci_96
・2018/03/08 ・1368字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 626 ・十年級
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國家同步輻射研究中心陳俊榮教授、陳俐穎博士生研究助理,以及國立中山大學生物醫學研究所戴明泓教授等人,耗時近五年首度解析出「肝癌衍生生長因子」(Hepatoma-Derived Growth Factor,HDGF)結合基因的三維結構,成為全球第一個從結構生物學角度,發現肝癌衍生生長因子誘發癌症機制的研究團隊。研究成果於 1 月 10 日登上國際期刊《科學報導》(Scientific Reports)。

從結構生物學角度解出肝癌衍生生長因子誘發癌症的機制

肝癌衍生生長因子是一種不好的蛋白質,起初是在人類肝癌細胞中被發現,它能與基因結合並啟動基因調控的功能,讓正常細胞轉變成癌細胞。研究顯示它與十大癌症的誘發有密切關聯,包含了非小細胞肺癌、肝癌、乳癌、口腔癌、前列腺癌、胃癌、胰臟癌、食道癌以及卵巢癌等。

陳俊榮教授說,過去無法直接觀察到肝癌衍生生長因子的「基因結合反應區」,所以不瞭解癌症誘發的機制。這個研究利用台灣光子源(Taiwan Photon Source,TPS)首度解出人類肝癌衍生生長因子的基因結合反應區,解析度達 0.28 奈米,相當於頭髮直徑的三十萬分之一,並發現此區會與基因結合且交換訊息,進而刺激細胞增生。根據這些訊息,未來將可望研發專一性藥物,從源頭阻止基因調控以直接抑制癌細胞生成。

台灣光子源讓過去看不見的東西被看見

台灣光子源。 圖/國家同步輻射研究中心

台灣光子源的亮度,是台灣光源(Taiwan Light Source,TLS)的一萬倍以上。這個研究初期使用台灣光源進行實驗,每個樣品至少耗費 1.5 小時才能取得數據,但由於樣品被 X光長時間照射後破壞,所得到的數據卻無法正確解出肝癌衍生生長因子的基因結合反應區結構,直到使用台灣光子源才迎刃而解,而台灣光子源只需 12 秒就能取得一個樣品的數據。

陳俊榮教授說,台灣光子源的超高亮度 X光,是解析結構的重要關鍵。因為樣品曝光時間大幅縮短 450 倍,所以樣品在遭受 X光破壞之前,就已經取得完整的數據。台灣光子源的優質光源,可運用在極為複雜的蛋白質結構解析,為生命科學研究開啟新契機。

陳俐穎表示,此研究最困難的關鍵技術之一,在於利用「蛋白質結晶學技術」培育高品質的蛋白質晶體,由於肝癌衍生生長因子的結構相當不穩定,所以培養晶體的難度極高,五年間培育並篩選了近千個晶體,再加上台灣光子源的加持,才有了重要突破。

從癌症治療進擊到癌症預防

肝癌衍生生長因子誘發癌症的機制。 圖/國家同步輻射研究中心

現階段對抗癌症的方法,都是在癌症發生之後,再以化療、標靶藥物或免疫療法等方式攻殺癌細胞。未來,根據肝癌衍生生長因子誘發癌症的機制,將可望發展專一性高、副作用低的藥物,以降低體內肝癌衍生生長因子的量,或抑制肝癌衍生生長因子之基因結合反應區的功能,就能有效減少癌細胞生成,從「癌症治療」進擊到「癌症預防」。

此外,肝癌衍生生長因子還可以作為癌症風險評估與早期偵測的重要指標,以期能在黃金治療期內發現癌症,並提高存活率。

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火星計劃的背後:如何遠距操控好奇號?噴射動力實驗室在做什麼?──《科技與生活 Technology & Life》
活躍星系核_96
・2018/08/27 ・1425字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 550 ・八年級
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  • 目前火星探測器的分布位置。 圖/NASA
  • 文/諸恩平|畢業於中央大學。
  • 文/劉登凱|畢業於加州理工學院,美國航太總署(JPL/NASA)系統工程經理,曾任好奇號副總工程師,主持廣播節目《科技與生活 Technology & Life》。

「好奇號」是目前人類在火星放置的最重的探測車,你是否想過它是怎麼降落在火星表面的呢?它又增加了什麼功能?探測車為何有越來越重的趨勢?在這之前又有什麼樣的火星計畫?在火星上有什麼新發現?

好奇號是如何進行遠距離操控的?

負責駕駛火星探測車的嚴正博士說,地球到火星平均遠達二億二仟五百多萬公里,地球到火星光速平均 12 分鐘左右到達;由於傳訊來回就要 24 分鐘,時間延遲過大,以致無法直接遙控。因此會為火星車提前擬定好每天的工作。

工程師們首先把一天要做的事情全部列下來,然後在地球上實地演練數次。假如順利通過測試,不存在技術上的問題時,就將進度表傳送去火星,讓遙測車依排程工作。

嚴正 博士 目前是 NASA/JPL 機器人系統及控制部門的主管。在太空機器人的設計,開發和操作方面的技術專長深有造詣,為許多火星地表探測任務的成功做出了貢獻。

美國太空總署噴射動力實驗室可以做什麼?

JPL所研發的三種重量級別火星探測車。左前為火星探路者漫遊車,左後為精神號火星探測車,右方為好奇號探測車。 圖/NASA

科技與生活在美國太空總署噴射動力實驗室(NASA / JPL)現場採訪到一位重量級人物,火星好奇號計畫主持人 Jim Erickson。他非常自豪的表示: JPL 是一個結合了多樣功能的中心,具有能力獨自進行設計、建造、整合測試、飛行驗證和操作其他星球的探測車的能力。至今已經成功將四輛、三種級別的探測車安全送上火星表面,它們分別是 1997 年抵達的最輕型火星探路者漫遊車、 2004 年抵達的中型探測車精神號和機會號,以及 2012 年才登陸的好奇號探測車,未來預計於 2020 還將以好奇號為基礎發射另一個火星探測車去火星!

Jim Erickson 
火星任務好奇號計畫主持人,在加入好奇號任務之前,曾擔任伽利略號木星探測任務的項目經理,其他參與過的任務包含,維京火星計畫、航海家計畫、火星觀察者衛星。目前已在 NASA 服務超過30年。

火星移民?怎樣才能加入這個計畫?

火星一號計畫是一個建立在火星上的探索移民計畫,目的是在火星建立永久殖民地。計畫從全球四萬人挑選至五十人的菁英,他們需要經過什麼樣的考驗、學習什麼樣的技術、度過什麼樣的難關?請聽這五十分之一的邊思恩怎麼說!

邊思恩作為一個火星移民候選人表示:「自發努力學習是個重要的基本環節!」

邊思恩 女士美國加州大學洛杉磯分校國際發展研究學位。目前從事線上教育工作,另兼表演與模特兒,也是攀岩好手。目前為火星一號計畫火星移民候選太空人之一。

覺得內容太短不過癮?以上內容由《科技與生活 Technology & Life》提供,可點擊連結聽取完整節目。

科技與生活 Tech & Life》廣播節目由劉登凱博士主持,透過廣播,訪問世界華人資深科技專家,用通俗的語言將科技的知識傳播給聽眾。內容含有太空探索,環境保育、醫療衛生、製造創新、科普教育等五大類。

 

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腸胃道微生物可能是引發帕金森氏症的元凶?
valerie hung
・2016/12/05 ・1166字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 588 ・九年級
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過去大家多半以為帕金森氏症(Parkinson’s disease)是發生在腦部的疾病,但現在美國加州的科學家透過動物實驗發現,這些症狀的源頭可能由腸胃道中的微生物所引起?

帕金森氏症是一種突觸核蛋白(synuclein)病變,在帕金森氏症患者腦神經細胞中,某種原因導致 α- 突觸核蛋白物質不正常的折疊且堆積。隨著腦神經元逐漸受損死亡,患者會出現無法控制的顫抖、肌肉僵硬與行動緩慢等幾大症狀。雖然目前有些藥物可以減緩症狀,但隨著病情加重,藥的效果也會逐漸變差。

而科學家發現抗生素療法在老鼠身上,能減少這些物質以及行動遲緩的狀況,然而把帕金森氏症患者的腸胃道細菌移植到老鼠身上,則會讓病症加劇。如果研究的方向正確,將開啟帕金森氏症治療法的全新策略,例如透過某些機制,避免病變擴散到腦部,對人口逐漸高齡化的國家來說都是好消息。

圖片來源:Sampson et al./Cell 2016
圖說:從左至右分別描述一般腸胃道微生物,除掉腸胃道細菌以及老鼠移植了帕金森氏患者的腸胃道細菌後對帕金森氏症的影響變化。圖片來源:加州理工學院研究團隊./Cell 2016

加州理工學院的研究團隊指出:他們先在老鼠的腸胃道中注入突觸核蛋白纖維,三周後,纖維出現在老鼠腦的底部,兩個月後這些纖維已抵達腦中控制行動的部位,老鼠的行動也變得遲緩,與帕金森氏症患者的症狀相似。這份研究先於神經科學 2016 年 11 月的年會上發表,然後刊登在 12 月 1 日的醫學期刊《細胞》(Cell

團隊成員提莫西.桑普森(Timothy R. Sampson)博士表示:「現在我們相當肯定,是腸胃道的細菌掌控了帕金森氏症的症狀。」他們推測是這些微生物釋放出某種化學物質,會過度刺激腦部的免疫細胞,最終導致腦部受損。

其實帕金森氏症是從腦以外的地方轉移過來的想法,也不完全無跡可循。十多年前,就有病理學家同時在確診為帕金森氏症,以及沒有發病但腦中有突觸核蛋白纖維的人的胃中也發現這些奇特的纖維,當時他們推測原因是某種毒素或微生物導致。另外一個線索就是,帕金森氏患者早期常有消化問題(如便祕)以及喪失嗅覺的情況,而胃和鼻子正好是兩個神經細胞都暴露在外的器官--都可能沾染到不知名的感染源。

既然科學家已發現帕金森氏患者腸胃道中的細菌和健康的人不同,研究似乎預言了抗生素或糞便移植(FMT)療法的可能性,但加州理工學院團隊也警告,目前就他們在研究中使用抗生素的方式來看,長期且高強度的抗生菌療法,可能會對人體的免疫與代謝系統造成危害。所以當務之急,還是找出究竟是那一種腸胃道微生物對帕金森氏症有正面影響或是負面影響。

 

參考資料:

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