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為什麼紙會變黃?

陸子鈞
・2012/04/03 ・342字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 471 ・五年級

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紙張放了一段長時間之後,就會開始泛黃。長久以來,科學家知道紙張泛黃是因為製成紙張的纖維素(cellulose),隨著時間氧化,會產生帶色基團(Chromophore)的化學物質。不過科學家並不曉得是哪一種帶色基團使紙張泛黃。直到這個月,一則發表在《物理學綜合評論通訊》(Physical Review Letters)的研究中,研究團隊檢驗老紙和新紙反射的光譜波長,並和已知的化學物質光譜波長比較。根據結果,研究團隊認為紙張泛黃的主要元兇,是因為一種醛基帶色基團(aldehydic chromophores)。這項研究有助於收藏家保存紙本古物,抵抗黃化。或許能開發藥劑使帶色基團還原為未氧化態。不過這樣的藥劑也可能會傷害到古物,最好的辦法還是將文物封存在不見天日的地方。

資料來源:ScienceShot: Why Old Paper Turns Yellow [2 April 2012]

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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液晶溫控纖維:捲窗簾、撐乳房、擁抱狗、掀燈罩
胡中行_96
・2023/11/20 ・2772字 ・閱讀時間約 5 分鐘

「教授」趴在辦公室的地板上,百無聊賴。材料科學家、互動設計師、工匠與工藝研究人員,整日於麻省理工學院媒體實驗室(MIT Media Lab),忙進忙出,沒空搭理。作為論文第一作者Jack Forman的愛犬,身兼創作謬思,「教授」可能從沒想過,自己終將獲邀貢獻學術,並且榮登致謝名單。[1]

第一作者的愛犬「教授」。圖/參考資料1,Figure 15a(CC BY 4.0

FibeRobo

「教授」備受冷落的這段時日,研究團隊一直忙於開發織物纖維:穿戴手套、實驗袍和護目鏡,隔著通風櫃,以液晶元(mesogen)為主要原料,適量加入能感光、增加黏性、降低驅動溫度,以及延長有效期限等的各種化學物質。然後,將調製好的液晶彈性體(liquid crystal elastomer;LCE),灌進精心設計的機器。利用液晶分子在常溫下整齊排列,遇熱就亂了陣腳,導致收縮的特性,生產出來的FibeRobo纖維,長度能為溫度所控制。製作步驟及機器各部位的功能,大致如下:[1]

左二為FibeRobo機器示意圖,最右是實體。圖/參考資料1,Figure 3(CC BY 4.0
  1. 可調控溫度的針筒幫浦,將原料加溫至約莫34°C,降低其黏性後,推擠出來。(圖片:Step 1的上半段。)[1]
  2. 紫外線照射,使纖維稍微硬化,避免蜷曲。(圖片:Step 1的下半段。)機器外圍的黃色壓克力板,能隔絕99%的紫外線,保護使用者。透過調光器,則可依需求適度調整光線強度。避免光線太弱,使纖維斷掉;或者是光線太強,而結塊並堵塞針筒的開口。[1]
  3. 鑷子夾住纖維兩端,把它拉得又直又細,再沾點礦物油,比較容易舒展。(圖片:Step 2。)[1]
  4. 經過滑輪的纖維,於緊拉的張力下,再照一次紫外線,加強硬化。(圖片:Step 3。)滑輪轉動的速度愈快,纖維就愈細。[1]
  5. 纖維被捲到機器最頂端的線軸上。(圖片:Step 4。)[1]
  6. 從線軸上取下纖維,撒點滑石粉,降低摩擦力,方便以後用機器紡織。等布料完成,再以溫熱的肥皂水,洗去滑石粉。[1]

通電與收縮

FibeRobo纖維搭配別種材料,可以創造不同的效果。然而傳統多股對絞的作法,會扭曲FibeRobo,使它收縮的特質變得難以預測。於是,研究團隊改將FibeRobo置於中央,在外面纏繞其他材料。比方說,拿以蠶絲包覆銅芯的利茲線(litz wire)來捆它。銅的電阻低,升溫快,能迅速使FibeRobo遇熱收縮。FibeRobo與利茲線合體後,接上2.5安培、8.5伏特的電,8秒即縮短37%;斷電30秒,則又恢復原狀。不過,這種混合纖維傾向堆成一團,不適用於針織、紡織與刺繡。研究團隊建議,最好分開製作,再搭配使用。[1]

a. & b. 不同材質的線,纏在一起。FibeRobo纖維與利茲線合體:c. 沒通電;d. 通電收縮。圖/參考資料1,Figure 5(CC BY 4.0

另外,他們也嘗試用導電塗料浸染纖維。如同調製LCE原料時,身穿防護衣著,隔著通風櫃,先將FibeRobo泡入含有重量百分濃度7%碳黑(carbon black)的甲苯(toluene)溶液裡。8小時後取出,置於80°C的烤箱中,烘烤1個鐘頭。如此一來,FibeRobo纖維就能通電,其電阻會跟著長度的伸縮變化。拉長變細的時候,電阻較高。[1]

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成品展示

研究團隊用FibeRobo纖維跟其他材料,做了些模型和成品,來展示實際用途。以下是其中幾個例子:[1]

  • FibeRoBra運動胸罩:當體溫隨運動逐漸上升,FibeRoBra便開始收縮,給予乳房無鋼圈、零負擔的支持。體溫下降後,布料又回到放鬆的狀態。[1]
圖/參考資料1,Figure 8(Edited;CC BY 4.0
  • FibeRoGlow燈具:開燈後升高的溫度,令燈罩緩緩上捲,彷彿打開花瓣。全程費時,大約5分鐘。[1]
圖/參考資料1,Figure 9(CC BY 4.0
  • ShadeRobo窗簾:窗簾不該因為陽光強烈,氣溫上升,就自動捲起來。因此,驅動此窗簾所需的溫度,被設計得比較高。布料只有在上面的利茲線通電時,才會有反應。4伏特、2.5安培的電,得花2分鐘,才能將這個5 x 5公分的小窗簾捲好。冷卻1分鐘後,又會完全攤平。[1]
圖/參考資料1,Figure 12CC BY 4.0
  • FurbeRobo遙控狗背心:論文的第一作者Jack Forman,為他的愛犬「教授」,織了一件小背心。本文開頭的那張照片,即是牠的定裝照。如果寵物在辦公室悲鳴,於實驗室忙碌的主人,就可以透過藍芽,啟動背心上的控制器。此時,連接12伏特、2.5安培電池利茲線,會通電並發熱,造成驅動溫度不高的布料,輕微收縮。就像給狗溫暖的擁抱,減輕牠的分離焦慮(separation anxiety)。不過,基於動物實驗倫理等因素,後來示範布料收縮的照片,都是穿在布偶上拍攝,「教授」再次被晾在一旁。[1]
圖/參考資料1,Figure 15(CC BY 4.0

成本與環保

2023年麻省理工學院的團隊,在美國計算機協會(Association of Computing Machinery)主辦的使用者介面軟體與技術(User Interface Software and Technology)研討會上,發表了這篇介紹FibeRobo的論文。研究團隊認為,他們的成果具有商業化的潛力。畢竟跟雷同的技術比起來,製作FibeRobo的成本相對低廉:機器的針筒幫浦約美金250元;裝滿5、10、20或30毫升原料的針筒,每個至多4元;而生產直徑0.5mm的纖維,每公尺約0.2元。[1]單人操作單機,一天或一個下午就能產出750公尺的纖維;[1, 2]亦有報導指稱是每日1公里。[3, 4]不過,FibeRobo不可回收,儘管某些新興LCE纖維可生物分解,有時搭配的導電材質,仍是廢料處理的阻礙。因此,在這方面還有改善的空間。[1]

麻省理工學院媒體實驗室的FibeRobo介紹影片。影/參考資料2

  

參考資料

  1. Forman J, Afsar OK, Nicita S, et al. (2023) ‘FibeRobo: Fabricating 4D Fiber Interfaces by Continuous Drawing of Temperature Tunable Liquid Crystal Elastomers’. UIST ’23: Proceedings of the 36th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, 9, pp. 1 – 17.
  2. MIT Media Lab. (27 OCT 2023) ‘FibeRobo: Powerful Body-Temperature Morphing Fibers’. YouTube.
  3. Paul A. (26 OCT 2023) ‘This liquid crystal fabric is ‘smart’ enough to adapt to the weather’. Popular Science.
  4. Global Update. (29 OCT 2023) ‘New Liquid Crystal Elastomer Fiber Makes Shape Shifting Fabrics a Reality – FibeRobo’. YouTube.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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【成語科學】洛陽紙貴:從絲綿到用樹皮,古代的造紙簡史
張之傑_96
・2023/06/21 ・1079字 ・閱讀時間約 2 分鐘

東漢以後就是三國和西晉。西晉文學家左思,親自走訪三國的國都——吳都建康(今南京)、魏都洛陽、蜀都成都,耗時 10 年,寫成 1 萬多字的《三都賦》。

這篇賦寫得好極了,大家紛紛買紙來抄,一時供不應求,把洛陽的紙價都哄抬貴了。

這就是成語「洛陽紙貴」的由來。讓我們試著造個句吧。

  • 張愛玲的第一本小說集《傳奇》推出後,同一個月就再版了,受歡迎的程度當真可以用洛陽紙貴來形容。
  • 英國推理小說作家克莉絲蒂,每部小說都洛陽紙貴,其著作已譯成 100 多種語文,總銷量超過 20 億冊。

西元 291 年,左思寫成《三都賦》。上推 186 年(西元 105 年),蔡倫改良造紙術成功。左思的《三都賦》造成洛陽紙貴,可見這時的上層社會,紙已取代了竹簡。

《天工開物》中記載古代造紙術的流程。圖/維基百科

紙是中國的四大發明之一。最早的紙是絲綿紙,是古人無意中發明的。原來我們的祖先早就會製造絲綿了,方法是將蠶繭煮過,攤在竹蓆上,浸在水中打爛。當製好的絲綿從竹蓆上取下來時,蓆子上往往還殘留著一層絲綿。等竹蓆乾了,這層絲綿就變成一張薄薄的絲綿片。

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這一無意中的發現,帶給人們莫大的啟發,於是有人從水中將一層薄薄的絲綿「抄」(撈出來)在竹蓆上,晾乾後就成為絲綿紙。

絲綿紙用蠶絲做原料,價格太高,不可能大量生產,但它的製法卻具有啟發作用:既然可以用蠶絲來製紙,那麼可不可以用廉價的植物纖維代替?到了西漢,人們開始用大麻和苧麻製紙,所用的方法和絲綿紙完全相同;但當時的麻紙又粗又厚,不適合寫字。到了東漢,經過蔡倫的改良,才算有了成效。

蔡倫從小就到皇宮當太監。他曾經管理過宮廷用品,發現當時的書寫材料都有缺點:竹簡過於笨重,帛(絲織的布)和絲綿紙又太貴;於是決心改進造紙方法,希望能找到一種又便宜又實用的書寫材料。

西元 105 年,蔡倫成功改良造紙術。圖/維基百科

蔡倫綜合前人造紙的經驗,用樹皮、麻頭、破布和破魚網做原料,將它們剪碎、蒸煮、搗爛,然後「抄」在蓆子上,晾乾就變成紙了。用這種方法造出來的紙,又薄又平,很適合寫字。蔡倫把這項成就報告漢和帝,從此全國各地都開始用這種方法造紙。

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8 世紀時,中國人發明的造紙術傳到阿拉伯。12 世紀傳入歐洲。距離蔡倫改良紙術成功,已經有一千年了!

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。