0

0
1

文字

分享

0
0
1

物質世界和生活問題的解答,都藏在低溫世界裡!──專訪中研院物理所陳洋元

研之有物│中央研究院_96
・2018/11/28 ・6383字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|廖英凱、美術編輯|張語辰

為什麼要研究「低溫物理」?

低溫領域不只是比較冷的世界而已,接近絕對零度的低溫,可以讓科學家觀察到電子的特性而了解物質世界。而將液態氮用於工程與生物,更能設計出能解決湧水地質工程難題的解法、與對生態無毒無害的紅火蟻防治方法。

中研院物理所的陳洋元研究員,絕招像是《ONE PIECE》漫畫中,青雉的冷冷果實能力。從打造臺灣第一台低溫比熱系統開始、配合稀冷機,為低溫物理研究奠定了良好環境,更利用低溫的特性解決生活問題。
攝影│廖英凱

冰凍時刻:挖隧道工程

低溫的運用,可不只有在微觀世界的物理研究而已,陳洋元與團隊將他們對低溫技術的理解,運用到真實世界,解決生活中所發生的問題。

1988 年起,臺灣開始興建雪山隧道,由於隧道施工路徑,行經了多數斷層、剪裂帶與地下湧泉,導致施工過程中的全斷面隧道鑽掘機 (潛盾機) 多次遭遇大量湧水而受阻。1997 年 12 月,更有一部機組因隧道崩塌而損毀報廢,因此,在湧水環境下依然能有效率地施工,即成雪山隧道工程的關鍵。

在雪隧豎井開挖前,陳洋元團隊先在中研院區試驗。此時液態氮正由冷凍管(白色)在冷凍地盤中。 圖片來源│陳洋元提供

陳洋元得知施工過程的湧水阻礙後,想到百年前英國開挖海底隧道、以及俄國會特別利用冬天結冰期來施工的冰凍工法,便主動寫信建議當時的交通部部長,並提出構想簡報。1999 年,負責雪隧施工的榮工處,也提供了一個研究計畫,讓陳洋元與實驗室團隊利用液態氮試驗冰凍工法,在雪隧的豎井施工地點嘗試施工,並取得了成功凍土開挖的成果。

用液態氮將土壤整塊結凍後,就能順利開挖出坑道,環形為冷凍後開挖出之冰牆。
圖片來源│陳洋元提供

冰凍工法的原理相當簡單直觀,就是利用溫度僅 77 K (−195.79 °C)的液態氮,使土壤中的水分結冰。土壤結冰後變得如岩石一般堅硬,開挖的過程中就能避免土壤因含水量過多、土質鬆軟而坍塌。

但是,如何讓低溫的液態氮,可以準確冷凍到需要開挖的部位,並確保冷凍的強度,則是實踐冷凍工法的困難之處。對此,陳洋元自行設計了液態氮冷卻、排氣與監測的工程系統,並透過電腦模擬估算液態氮的冷凍時間,成功開發出能開挖豎井的冷凍工法。

 

陳洋元設計的土壤冷凍實驗配置圖。
圖片來源│陳洋元提供   圖說重製│張語辰

但很可惜的,由於雪隧施工過程的工程考量、工期壓力與學科分野後的本位主義,陳洋元團隊的冷凍工法,最終仍未被雪隧的施工單位所採用。陳洋元認為,這代表了學術研究和技術落實的差異。

學術研究雖然可以驗證新技術是否有成功的機會,但要讓技術開發完成,仍需要實務單位投入組織團隊與資源。

不過很快地,冷凍工法又得到了來自工地現場的呼喚。2006 年台北市開始大規模建設與更新地下汙水道,在地下汙水道的豎井興建工程中,遇到例如華江橋一帶地下水位較高的地方,豎井深處會有湧水而完全無法開挖。若停下來抽水排除障礙會嚴重延誤工期,而造成施工廠商的重大負擔。因此,陳洋元老師接受了施工廠商的委託,設計出能在豎井底層使用的冰凍工法,解決了地底水平開挖工程的湧水問題。

(左)在豎井內透過推進機,水平開挖出汙水下水道
(右)利用液態氮冰凍工法,將豎井周圍的土壤結凍,改善開挖過程的湧水問題
圖片來源│陳洋元提供

 回顧起運用知識投入解決工程問題的經驗,陳洋元認為臺灣的產學合作與技術轉移,仍有相當多傳統思維需要突破。像是中研院雖有開發冰凍工法的經驗,但近幾年一些政府重大工程施工時,寧可高價雇用日本冰凍工法的團隊,也不願學習並採用中研院的技術。

兩棘矛:紅火蟻防治

不只是工程上,陳洋元團隊也將液態氮運用於紅火蟻防治。2001 至 2002 年間,紅火蟻透過運輸的貨櫃入侵到臺灣,成為影響農業、生態與人類安全的外來入侵種。利用熱水、化學藥劑等防治方法效果均有限,且須留意藥劑對生態的副作用。2004 年,當時的中研院李遠哲院長在立法院備詢與記者提問時,提出可利用液態氮消滅紅火蟻的構想。會後,李遠哲院長委託陳洋元開發液態氮撲滅紅火蟻的技術。

陳洋元與中研院生物多樣性中心的馬堪津研究員合作,發現紅火蟻在低於 -17°C 的環境會完全死亡;陳洋元同時也委由中研院物理所精工室的技師,打造在紅火蟻巢灌注液態氮的金屬管路。試驗結果發現,撲滅成效可完全根除蟻巢內的紅火蟻群與蟻后,也毫無任何汙染與副作用。

利用液態氮冷凍紅火蟻蟻巢。
圖片來源│陳洋元提供 圖說重製│張語辰

除了進一步技轉、推廣液態氮防治技術,陳洋元也研究如何有效定位紅火蟻蟻巢的位置。團隊曾利用軍用級紅外線偵測儀,企圖偵測紅火蟻蟻巢的溫度來定位,原本想法是蟻巢的溫度可能高於一般土壤,但實際上因為蟻巢通風良好、溫度反而較低。由於紅外線偵測儀不易偵測出剛形成的較小蟻巢,陳洋元因而進一步開發更有效的「紅火蟻偵測犬」。

陳洋元後續將紅火蟻屍體樣本寄至屏科大與祁偉廉獸醫師合作,訓練出能有效定位紅火蟻位置的偵測犬。偵測犬搭配液態氮與其他防治工法,近年來持續套用到大學校園、桃園機場、松山機場、淡水輕軌、台北花博等地的紅火蟻防治,以免紅火蟻破壞重要的電線或飛航線路,並需搭配定期觀測追蹤。近年來,日韓等國也因有紅火蟻防治的需求,而尋求陳洋元團隊的技術協助。

自製低溫比熱系統,探究低溫世界

無論是冰凍工法、液態氮防治紅火蟻,這些應用都是基於對「低溫物理」的成熟了解。但時間回溯到更早之前,最初發展低溫物理的科學家,其實有他們好奇、想探究的現象。

例如,今日對於低溫超導體的興盛研究,肇始於 1911 年時,荷蘭科學家海克.卡末林.昂內斯 (Heike Kamerlingh Onnes) 發現水銀在溫度 4.2K 時,電阻會完全消失、成為超導體。伴隨著低溫環境與低溫技術的出現,科學家開始發現在低溫狀態中,物質的特性有了超乎預期的現象。

從材料研究的觀點來看,微觀尺度的物質世界,其實就是原子與電子的交互作用。物質藉由不同的原子組成、排列,決定了物質的特性;藉由原子的震動,呈現出熱的現象;藉由電子的流動,則呈現出了電流。

伴隨量子力學的發展,物理學家利用「聲子」的概念,來理解原子的排列與震動,在過去七十年來,已累積了大量理論與實驗的成果,而造就了今日科學對晶體的理解。然而,對於「電子」性質的理解,卻因為聲子振動時的現象,會掩蓋電子的物理現象,使得對電子的研究明顯晚於聲子的研究進展。直到低溫技術的出現與變革:低溫環境不斷地改善、不斷地下探人類能創造的最低溫。

在低溫環境中,聲子如同結凍般,大幅減少了聲子振動所帶來的影響,而使得電子的特性,終於能開始被觀察研究。

1980 年代,正值低溫物理發展的高峰。1989 年,陳洋元從加州大學回到中研院物理所,建立了奈米材料與低溫物理實驗室,開始積極發展低溫技術。環顧當時臺灣沒有一台自製的比熱儀,而比熱的量測在凝態物理研究中是相當重要的元素,可以提供聲子、電子、磁性、相變等訊息,像是比熱對於超導材料的研究便不可或缺。

因此陳洋元決定發展臺灣自己的低溫比熱系統,此系統最關鍵的就是量測晶片、電子系統、與電腦程式。

陳洋元自行開發的低溫比熱系統。
圖片來源│陳洋元提供
2010 年開發的第五代比熱量測晶片,Ni-Cr 與 RuO2 薄膜由無塵室半導體製程完成。晶片由四條金線懸於真空中,與控溫之銅座相連接。
圖片來源│陳洋元提供
比熱量測晶片,中間的銀色方塊為樣品(重量約 1~15 mg)。
圖片來源│陳洋元提供

如上方的圖片所示,量測晶片上有加熱與溫度感測薄膜,懸吊於真空中,利用加熱、放熱時產生的溫度變化,可於溫度 0.3-300K、高壓、磁場的環境下,測量微小樣品的比熱,例如二鋁化鈰 (CeAl2) 在奈米尺寸會呈現與塊材不同的比熱。過去 30 多年運用此低溫比熱系統發表之論文含 Physical Review Letters (PRL)、Physical Review B (PRB)、Applied Physics Letters (APL) 等計 70 餘篇。

比熱量測案例:二鋁化鈰 (CeAl2) 80 nm 奈米樣品的低溫比熱與塊材截然不同,凸顯了奈米科技的獨特性。
圖片來源│陳洋元提供,取自 Size Dependence of Heavy Fermion Behavior in CeAl2

設置「稀冷機」,讓低溫更低溫

進行低溫物理研究時,若單純只使用液態氦,會受限於液態氦的沸點,難以繼續降至更低的溫度。對此,中研院於 1995-1996 年間,設置了臺灣第一台稀釋致冷機 (dilution refrigerator),利用不同比例 4He 與 3He 的蒸發,最終能達到 0.035K 的超低溫度。

我們可以簡單想像,在單純熱交換的世界中,例如將冰水與溫水混合,所能得到的最低溫,一定會高於冰水的溫度。因此,若無法取得比 4He 與 3He 沸點更低的物質,則實驗環境勢必無法低於 4He 與 3He 的沸點溫度。

因此,科學家運用「蒸氣壓」能影響「沸點」的特性,來取得更低的溫度。就像在高山上,氣壓較低時,水的沸點也會降低、而更容易煮沸。若將 4He 與 3He 置於更低表面蒸氣壓的環境中,則可以使兩者的沸點分別降至 1.5K 與 0.3K。

稀冷機,則更進一步運用物質在「相轉變」時,會帶走熱量的特性來降溫。

如下圖所示,稀冷機中的混合室 (mixing chamber)內有兩種由不同比例 4He 與 3He 所組成的液態相,形成相界 (phase boundary)明顯的兩相分離。混合室中 4He 較多、 3He 較少的部分,以管路連接一以 4He 為主的混合物容器 (still) ,當對 still 抽氣時,會使混合室中的 3He,先從 3He 較多的液相,跨越第一個相界至 3He 較少的液相,再跨越第二個相界至 still。

  1. mixing chamber 中有兩個不同 3HE 和 4HE 組成的液態相。
  2. 當對 still 抽氣時,mixing chamber 中濃相區(深藍色區塊)的 3HE 會被抽走,下層中稀相區(淺藍色區塊)中的 3HE 會穿越過兩相間的界面,補充上層濃相區被抽走的 3HE,此種類似蒸發的作用會帶走熱量。
  3. 3HE 再穿越至 still 區蒸發、將熱量帶走,而能降低溫度。
稀冷機的裝置示意圖。 資料來源│陳洋元 圖說重製│廖英凱、張語辰

兩次相界的跨越,就如同兩次蒸發帶走熱量一般,可使混合室的溫度降低至 10-3K 的溫度狀態。以此技術,目前的世界紀錄,更可達到 10-12K 的程度。

陳洋元笑稱,當年由於稀冷機技術相對複雜而多數學校無法設置,中研院的稀冷機與良好的低溫環境,就像是一個創造了一個「dilution 俱樂部」,吸引了許多低溫物理的人才來此研究。

不過,雖然可利用液態氦來達到低溫,但液態氦無法人工合成、所費不貲,是低溫研究的重大花費。因此,陳洋元在中研院物理所旁,建立了「氦氣液化系統」,此系統能回收物理所實驗室本來排放到大氣中的氦氣,並重新壓縮降溫與液化,從而回收氦氣循環使用,節省資源並降低研究花費。

氦氣液化系統:從物理所回收的氦氣,會先儲存在上方的氣球,再壓縮分裝到鋼瓶中儲存備用。
攝影│廖英凱 圖說重製│張語辰
氦液化機室:回收的氦氣,經過這台機器液化後,再次用於物理所的低溫實驗。
攝影│廖英凱 圖說重製│張語辰

這幾間實驗室啊,還有隔壁的那兩間工廠……是當年我規畫蓋出來的啊

走在中研院物理所建物之間,陳洋元悠悠地這麼說。從低溫儀器的開發,到低溫物理的基礎研究;從實驗室裡的學術環境,到工地與蟲害的實際應用,陳洋元是少數投入如此廣泛與多樣領域的研究者。

回顧過往,這也許和陳洋元與團隊從 1989 年開始,長期耕耘中研院物理所的基礎建設有關,包含建立氦氣液化系統,協助建立精工室、以及位於物理所地下室的磁性實驗室和 X 光實驗室。

如同基礎研究之於整體學術發展的重要,基礎研究環境的興建與營運,可以帶來前端研究的成果;而立於基礎知識之上,我們更能發現複雜生活問題的解決方法。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

___________
你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

文章難易度
研之有物│中央研究院_96
207 篇文章 ・ 1117 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

0

8
0

文字

分享

0
8
0

地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策