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透明彈性 3D 記憶晶片

only-perception
・2012/04/10 ・1320字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

一位科學家在今日報告,新的記憶晶片是透明的,其彈性足以像一張紙般摺疊,不把華氏 1,000 度(約攝氏 578 度)當作一回事 — 那比廚房爐子的最高溫度還要熱上二倍 — 而且能挺過其他險惡的環境,引領次世代記憶體的發展,為明日的隨身碟、手機與電腦而開發的記憶體,能與快閃記憶體競爭。

在第 243 屆 National Meeting & Exposition of the American Chemical Society 中演說,那位科學家表示,擁有這些晶片的裝置,不管是偶然穿越乾燥器,或甚至在前往火星的旅程上,都能保有資料。且憑藉獨特的 3D 內部結構,這款新晶片能在佔用較少空間的情況下,封裝額外數 GB 的資料。

「這些新晶片對電子產業來說是大件事,因為他們正試圖取代快閃記憶體,」James M. Tour, Ph.D. 表示,他領導研究團隊。「這些新記憶晶片有數種優勢勝過今日晶片,那在成千上萬種快閃碟(拇指碟)、智慧型手機、電腦與其他產品中,是資料儲存的主力。快閃記憶體還有約六、七年的光景,在這之間那能夠變得更小,但開發者之後就會遇到根本障礙。」

因為新記憶晶片的設置方式,即每位元的資訊有二個終端,而非標準的每位元三個終端,它們比快閃碟更適合電子學中的下一波革命 — 3D 記憶體。

「為了要在更小的面積內放入更多記憶體,你得要在二維之外堆疊元件,那正是目前能辦到的,」他說。「你得要邁向 3D。」而且這些晶片具有高開關比(on-off ratio),那是當晶片儲存資訊與晶片空白時,有多少電流能流入晶片的一種度量。這個比愈高,這個晶片對製造商來說,愈具有吸引力。

這種晶片原本是由一層石墨烯或其他碳材料在矽氧化物(那長久以來被視為一種絕緣體、一種電子裝置中的被動元件)上組成。石墨烯是薄薄的一層碳原子,被視為一種「神奇材料」,因為它是已知最薄與最強的材料。它甚至是最近諾貝爾獎的主題。當初,在 Rice 大學的研究者認為這種晶片驚人記憶能力是由於石墨烯的緣故。不過他們最近發現,他們錯了。實際上是矽氧化物表面造就這種記憶能力,現在,他們能使它們不含石墨烯了。這項研究是 Tour 的小組在與(物理系)Douglas Natelson 教授以及(電機與電腦工程系)Lin Zhong 的合作下完成。此計畫主要參與的學生是 Jun Yao 與 Javen Lin。

這種新晶片的透明度與小尺寸使得它們具有廣泛的潛在應用。製造商能將它們嵌入玻璃內,用於日常駕駛、軍事與太空所用的穿透式擋風玻璃顯示器上,這樣不僅能在擋風玻璃上顯示內容,還能夠記憶。這釋放載具中的空間,供其他裝置或機能使用。事實上,這款晶片為了未來在 ISS 上進行的實驗,於 2011 年八月搭載在 Russian Progress 44 貨運太空船上。不過,載具未曾使其在進入太空之後被摧毀。「這艘太空船在西伯利亞上毀滅,所以我們的晶片落在西伯利亞!」Tour 說。他希望能將這款晶片送到 2012 年七月的未來任務上,看看記憶如何在太空的高輻射環境中維持。

目前的觸控螢幕以氧化銦錫(ITO)與玻璃製成,這二者都脆弱且易碎。然而,包含這種記憶晶片的塑膠能取代這些螢幕,除具有彈性優勢之外,還能夠儲存大量記憶,在手機內騰出空間給能夠提供其他服務或功能的元件使用。另外,將記憶儲存在螢幕的小晶片上,也能讓製造商做出更薄的裝置。

這種容易製造的記憶晶片已經取得專利,Tour 已經再跟製造商討論有關此晶片在產品上的嵌入。

資料來源:Transparent, flexible ‘3-D’ memory chips may be the next big thing in small memory devices—PHYSORG [March 28, 2012 ]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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快閃記憶體的原理:我們常用的 USB 記憶體與記憶卡——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/22 ・3591字 ・閱讀時間約 7 分鐘

快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源,記憶內容也不會消失,屬於非揮發性記憶體,且與 DRAM 的隨機存取類似,可讀取、擦除、寫入內容。不過,快閃記憶體的動作較慢,無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

快閃記憶體的結構。圖/東販

圖 4-11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間,有個不與任一方相連的懸浮閘極。

這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時,因為周圍是由氧化膜(SiO2)構成的絕緣體,所以電荷(電子)不會跑到其他地方。即使切斷電源,記憶體內的資訊也不會消失,為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時,儲存的是「0」;無電荷時,儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子,來記錄或保存資訊。

資訊的寫入與消除。圖/東販

圖 4-12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V,並對控制閘極施加正電壓。

於是,Si 基板內的電子就會穿過氧化膜,於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議,不過氧化膜相當薄,厚度只有約數 nm,所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

因此,Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時,懸浮閘極不會蓄積電子,所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊,也就是消除懸浮電極蓄積的電子時,需讓控制電極電壓為 0V,並對源極、汲極、基板施加正電壓,如圖 4-12(b) 所示。這麼一來,懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜,移動到電壓較高的基板一側。於是,原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

讀取已記錄的資訊。圖/東販

另一方面,當我們想要讀取資訊時,只要在控制電極施加一定的正電壓,便可透過從源極流向汲極的電流,讀取儲存單元內的資訊(圖 4-13)。

若懸浮閘極內有蓄積電子(「0」的狀態),這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓,使電流難以通過底下的通道。

利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子(「1」的狀態),閘極電壓就會直接影響到基板,與 MOSFET 的情況一樣,故下方會有電流通過。所以由電流的差異,就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷(圖 4-13 的「0」狀態),要是對控制閘極施加的電壓過高,源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說,懸浮電荷量不同時,使電晶體開始產生電流的閾值電壓(Vth,參考第 89 頁)也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

快閃記憶體的 SLC 與 MLC。圖/東販

由前面的說明可以知道,像圖 4-14(a) 這樣的單一儲存單元,只能記錄 1 個位元,可能是「0」或「1」。

用閾值電壓判斷單元狀態

不過,如果閾值電壓可任意控制,就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量,從滿電荷到無電荷分成 4 個等級,如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來,1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣,Vth01>Vth00>Vth10>Vth11,所以讀取資訊時,可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC(Multi Level Cell)。另一方面,只有 2 種狀態的單元稱為 SLC(Single Level Cell)。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 Vth 分成更多區間,還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊,進而提升容量。不過,MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難,MOSFET 對干擾現象又特別敏感,所以要做成增加更多層相對困難。

快閃記憶體的缺點

另外,快閃記憶體在記錄、消除資訊時,需使用 10V 之類相對較高的電壓,電子才能突破穿隧氧化膜。因此,反覆讀寫會造成氧化膜劣化,最後使儲存單元無法保留電子。也就是說,快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面,快閃記憶體與 DRAM 不同,不使用電容器,所以1個晶片可搭載的儲存單元較多,較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

NAND 型與 NOR 型。圖/東販

快閃記憶體與 DRAM 一樣,都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種(圖 4-15)。

NOR 型的快閃記憶體結構。圖/東販

圖 4-16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外,還有「源極線」存在,且源極線需通以電流。

NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近,較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例,讀取單元內的數值時,會在對應的字元線施加讀取用電壓,然後透過位元線讀取資訊。另一方面,消除或寫入資訊時,會對位元線施加寫入用電壓,字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜,所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值,不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之,可以隨機存取儲存單元。

NAND 型快閃記憶體的結構。圖/東販

另一方面,NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4-17 所示。

NAND 型的結構中,同一條字元線串聯起許多儲存單元,稱為 1「頁」(page),多條字元線有許多頁,稱為 1 個「區塊」(block)。

NAND 型的頗面圖。圖/東販

圖 4-18 中,1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵,那就是同一條位元線上,各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時,剖面圖如下。

基板上,1 個電晶體的源極,與相鄰電晶體的汲極共用同一個n區域,所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間,就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下,1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小,所以讀取速度比較慢。另外,因為 1 個儲存單元比較小,所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少,使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊(含有許多頁)為單位進行擦除,以 1 頁為單位進行寫入。

因此,要更改 1 頁的內容時,必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方,然後刪去整個區塊的資料,然後再把區塊資料複製回來,同時把要更改的內容寫進去。

也就是說,即使只是要改寫 1 位元的內容,也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料,所以被取了「快閃」這個名字。

快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置。圖/pexels

不過,寫入資料時是一次寫入一整頁資料,所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型,會發現 NOR 型的優點是讀取較快,資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置,對讀取的需求大於寫入,便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大,寫入較慢,但這些裝置幾乎不會進行寫入動作,所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而,快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置,常需改寫儲存單元內的資料。此時,NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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為什麼愛玉籽洗一洗就會「結凍」?——從國民美食到生醫材料
研之有物│中央研究院_96
・2022/02/23 ・4906字 ・閱讀時間約 10 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。

  • 採訪撰文│黃品維
  • 美術設計│林洵安

愛玉結膠過程的黏彈性變化

甜品中常見的愛玉,其實是非常有趣的生物材料,它並不需要加熱、也不需要額外的添加物,就可以在室溫底下凝結成膠,變成愛玉凍。中央研究院物理研究所陳彥龍研究員,分析愛玉在凝膠過程黏性與彈性的改變,最後建立數學模型,預測愛玉結膠現象。未來,愛玉將有望取代藻膠(alginate),用於人造植物肉的口感調整,或是作為輸送藥物的微顆粒成分。現在先讓我們一起來看有趣的愛玉研究吧!

你知道為什麼愛玉籽洗一洗就會變成愛玉凍嗎?圖/維基百科

愛玉:從街頭到實驗室

愛玉為臺灣人的平民美食,檸檬愛玉、愛玉粉圓、愛玉芒果冰……QQ 彈彈好吃到咩噗的愛玉,是許多人喝手搖時最愛的配料,也是炎熱夏天的消暑聖品。

我們從小吃到大的愛玉,學名叫 Ficus Pumila var. Awkeotsang,它跟洋菜凍、石花凍等膠體食物很不一樣,在製作過程中,愛玉並不需要經過烹煮、也不需要加入其他添加物,就能在室溫下產生膠化反應,形成愛玉凍。

可惜的是,愛玉在學術上並未有太多深入的探討。中研院物理所陳彥龍研究員,主要從事高分子流體與非線性流體的研究,他一直以來對膠體非常有興趣。這一次他鎖定了愛玉,與美國麻省理工學院(MIT)合作,希望從流變學的角度切入,探究愛玉膠化的秘密!

愛玉如何膠化變成愛玉凍?

首先,我們要先簡單了解一下,愛玉為什麼可以在室溫下結膠?

大家如果有製作過愛玉的話,應該都會記得一開始的步驟:我們要先把愛玉籽裝進紗布袋裡面,並在水中不斷地搓揉,靜置一段時間後,才能讓愛玉慢慢形成。這個「洗愛玉」的動作,其實就是將愛玉籽中的高分子、酵素、金屬離子等物質,析出到水溶液裡面,形成愛玉萃取液。

而在萃取液中,最主要的成分之一,就是聚半乳醣醛酸(poly galacturonic acid,簡稱 PGA)。PGA 是一種長鏈的高分子,也是讓愛玉凝結成膠的重要成分,它在水溶液中會發生三階段的化學反應:

圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

愛玉萃取液中,鈣離子會與長鏈的 PGA 形成交聯,而多個交聯會緊密排列,成為更穩定的連結區。隨著連結區愈來愈多,愛玉也就變成愛玉凍了!詳細如下:

第一階段(I),PGA 分子的 R-COOCH3(甲氧基),會被愛玉獨有的愛玉果膠酶(pectin methylesterase enzyme)活化變成 R-COOH(羧基),兩個 R-COO 和鈣離子會形成暫時性的交聯(crosslink)。

第二階段(II),當萃取液中的鈣離子搭起一座又一座橋樑,連續的交聯將兩段 PGA 鏈結在一起,開始形成點狀交聯(point-like crosslinks,PC)或較短的連結區(Short Junction Zones,SJZ)。

第三階段(III),隨著越來越多鈣離子與 PGA 鍵結,交聯一個接著一個排列,形成長串的連結區(Junction Zone,JZ)。連結區是非常穩定的結構,它就像拉鍊一樣,把兩段 PGA 牢牢地嵌在一起,此時愛玉也慢慢出現固體特性,變成了「愛玉凍」。

從流變學分析愛玉膠化的過程

身為物理學家,陳彥龍還想知道:愛玉在結膠過程中,物理性質又是怎麼改變呢?為了釐清這個問題,研究團隊從流變學(Rheology)的角度,分析愛玉結膠的現象。

所謂的「流變學」,是探討材料物理性質的一種方法,通常會測量材料的黏彈性(Viscoelasticity),很適合兼具固體與液體特性的軟物質(Soft matter)。

對固體來說,如果對材料施力的話,它的形狀會改變;當外力移除,它就會回復原本形狀。這就是固體的「彈性」(Elasticity),它會吸收讓形狀改變的能量,就像我們用湯匙碰一下布丁,布丁會回彈一樣。

另一方面,如果我們對液體施力,材料就會開始流動,在相同的施力下,不同流體會有各自的流速,例如攪動玉米濃湯和奶茶的黏稠度就不一樣,這代表不同流體有不一樣的「黏性」(Viscosity)。

有些物質同時具備「彈性」與「黏性」兩種特性,而愛玉就是其中一種。愛玉從萃取液變成愛玉凍的過程中,雖然「彈性」變得越來越明顯,但仍然保有流體的「黏性」。這樣的愛玉,不是單純的固體、也不是單純的流體,所以需要透過流變學,探討愛玉的物理性質。

材料有彈性,也有黏性,愛玉同時具備兩個特性。愛玉從萃取液變成愛玉凍的過程中,雖然固體的「彈性」變得越來越明顯,但仍然保有流體的「黏性」。圖/研之有物

如何量測愛玉的黏彈性?

為了研究愛玉的黏彈性,研究團隊將愛玉萃取液裝進流變儀(rheometer)的杯狀容器內,再把圓筒狀量具(下圖)放入愛玉之中。這個量具由馬達驅動,會像陀螺一樣在愛玉裡面來回轉動,向愛玉施力。從愛玉反饋給儀器的力矩,我們就可以了解結膠過程中,愛玉的黏彈性變化。

左為杯狀容器與量具;右為 OWCh 的模擬疊加波,此形變訊號 γ 將輸入儀器中進行量測。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

一般來說,流變儀會使用固定的頻率(例如正弦波)旋轉量具,來蒐集物質對特定頻率的反應。不過,由於愛玉結膠的變化很快,這樣的量測方式追不上愛玉質變的速度。陳彥龍說道:「測量的過程中,愛玉材料性質就已經變了。」

為了解決這個問題,美國麻省理工學院 Gareth McKinley 教授與學生 Michela Geri 發明了Optimally-Windowed Chirps(OWCh)量測方式。OWCh 可以疊加不同頻率、不同振幅的形變波,再使用這個疊加波,對愛玉進行測試,最後從實驗結果,回推愛玉對不同頻率形變的力學反應。

陳彥龍表示「OWCh 測量物質對頻率反應的時間非常短,在愛玉演化的過程中,每一個時間點我都可以得到它對頻率的反應,擴充了之前實驗上做不到的量測。」

愛玉膠化過程的神秘轉折!

從流變儀的實驗結果,我們得知愛玉在結膠時的黏彈性變化,下圖黑線 G 代表愛玉的固體性質(彈性模數部分,storage modulus)、紅線 G 代表愛玉的液體性質(黏性模數部分,loss modulus)。

可以看到,一開始液狀的愛玉幾乎沒有彈性,但過了一段時間後,彈性模數開始快速增加,甚至超過了黏性模數。兩條線交會的點為膠化點(gelation point),此刻為膠化時間(gelation time,tgel),代表愛玉的固體與液體特性相同。

在膠化點之後,愛玉的固體性質越來越明顯。最終,愛玉變成了愛玉凍,黏彈性的變化也漸漸趨於穩定。

上圖為愛玉在結膠時的黏彈性變化,黑線 G’ 和紅線 G” 交會的點為膠化點,此刻為膠化時間(tgel),代表愛玉的固體與液體特性相同。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

不過,如果看仔細一點,會發現一個有趣的現象:膠化點之後,愛玉的黏性與彈性會先經歷小幅度趨緩,甚至下降,再轉折成穩定上升的趨勢,出現了拐點(inflection point)(上圖箭頭處)。

這就奇怪了!在陳彥龍一開始的理論預測中,鈣離子與 PGA 交聯的濃度([Ca-PGA]),會隨著時間增加而穩定上升。照理說,愛玉應該也要穩定的固化才對。然而,不論是彈性還是黏性,都同時出現拐點,代表愛玉在膠化時,還有一些狀況沒被考慮到。

在原本的理論預測中,鈣離子與 PGA 交聯的濃度 [Ca-PGA] 會隨著時間穩定上升。但實際上,愛玉卻沒有穩定的固化。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

經過一番研究,陳彥龍推測,拐點的出現,可能是因為某些交聯「分離了」。我們前面有提到,成串的交聯會形成連結區(JZ),而 JZ 非常穩定,是愛玉膠體重要的結構支撐。但是,單獨的交聯、或是較短的連結區(SJZ),鍵結其實是很弱的。在形成 JZ 之前,這一些不穩定的交聯可能會先分離,導致交聯網路形成的速度變慢,才會在實驗中看到黏性與彈性出現拐點的現象。

顯微鏡下的愛玉長什麼樣子?

另一方面,為了觀察凝膠過程的微觀結構,研究團隊使用冷凍電子顯微鏡 (Cryo-EM) ,觀察愛玉結膠時的變化。陳彥龍主要選定了三個時間點來觀測,分別是膠化點(A)、拐點(B),以及愛玉凍趨於穩定的時間點(C)。

縱向的虛線即為選定的時間點,分別為膠化點(A)、拐點(B),以及愛玉膠體趨於穩定的時間點(C)。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

從下圖可以看到,在接近膠化點前,圖片中間有一些白色細纖維(A),看起來是愛玉凍剛開始形成的狀態。至於周圍的其它孔洞,則可能是因為樣本急速冷凍,導致水結成冰晶所造成的空隙。

接著,拐點左右的時間點,我們看到愛玉開始形成網路結構(B)。隨著時間增加,結構變得越來越緻密,等到膠體進入穩定階段時,就形成了穩固的纖維網路(C),而愛玉也變成緻密的愛玉凍了!

樣品是在選定時間點之前冷凍製備,顯微鏡下的觀測結果,可以看到愛玉高分子網絡隨著膠凝化越來越緻密。圖/研之有物(資料來源:陳彥龍)

破解愛玉的膠化密碼

陳彥龍團隊不僅從實驗了解愛玉物理特性,還發展理論預測愛玉膠化程度。簡單來說,只需要知道愛玉籽一開始的重量,以及環境的基本條件,就可以推算愛玉在不同時間點的彈性、黏性會如何變化。

首先團隊從化學反應動力學出發,算出愛玉萃取液中鈣離子和 PGA 交聯的濃度 [Ca-PGA],也就是鈣離子搭了幾座橋。有了 [Ca-PGA],就可以知道某個時間的愛玉彈性。原則上交聯越多,愛玉越有彈性。

不過,因為實驗發現愛玉黏彈性有轉折點,團隊進一步考慮短連結區(SJZ)和連結區(JZ)的數量密度,修正理論模型,貼近真實的膠化情況。

最後,研究團隊終於研擬出一個能夠預測愛玉膠化行為的數學模型。陳彥龍總結道:「這次主要的研究成果,就是探討愛玉結膠過程中黏彈性的改變,還有透過反應動力學的理論基礎,來預測愛玉膠化的過程。」

有了理論模型可以做什麼?平民美食大變身!

有了理論模型後,未來製作愛玉時,我們就不用依賴那雙洗愛玉籽的神之手,而是能更精準的掌握和控制愛玉的結膠品質。讓愛玉不僅可以單吃,還能成為食品業和生醫材料的幫手!

在食品科學方面,近年廠商開始嘗試用人造植物肉取代動物肉食材, 輔助環境永續與減少碳排放。這些植物肉,通常都會利用膠狀食材來調整口感,如果我們能夠精準地調整愛玉的硬度,或許也能讓愛玉成為植物肉的一部分。

在生醫材料的應用上,愛玉也可以參一腳。近幾年,很多研究討論藻膠在藥物輸送上的應用,將藥品包在含有藻膠的微膠囊內,控制藥物在體內釋放的時間。

藻膠的成分,與愛玉有很多類似的地方,陳彥龍期待地說:「如果用愛玉來做的話,是不是能夠達成類似的性質呢?」

另外,由於愛玉本身的果膠分子屬於弱電解質,有機會取代其他高分子液體的應用。目前,陳彥龍團隊正在跟其他實驗室合作,探討愛玉做為鋰電池的電解液,是否具有未來發展性。

下次當你吃著喜歡的愛玉時,大可不必思考背後複雜的流變學;不過要記得,愛玉不只是手搖杯的配料、也不只是臺灣美食,更是極具發展潛力的生物材料!

愛玉不只是愛玉,更是極具發展潛力的生物材料!

延伸閱讀:

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研之有物│中央研究院_96
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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

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物聯網世代資安保護的熱門選擇——新型「加密金鑰」PUF 技術
科技大觀園_96
・2022/02/06 ・1831字 ・閱讀時間約 3 分鐘

隨著萬物聯網時代到來,越來越多數據以數位化方式儲存共享,架構安全性也越來越受到重視。就在今年 5 月,美國賓州大學研究團隊開發出一種基於石墨烯的 PUF(Physically Unclonable Function),能夠有效防範利用 AI 模型的新型攻擊,使加密金鑰更難以被破解。

石墨烯是一種由碳原子以 sp2 混成軌域組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。圖/pixabay

什麼是 PUF?

要解釋什麼是 PUF,就得先理解物聯網(Internet of Things , IoT)的概念。簡單來說,物聯網就是讓設備裝上感測器、軟體及技術來相互連接傳輸資料所形成的網路,是很多產業智慧化的基礎,然而很容易就可以想像這種便利性同時也帶來更高的資安風險,由於物聯網設備涵蓋的領域相當廣泛,駭客從許多層面都可以發動攻擊。

物聯網是讓設備相互連接傳輸資料所形成的網路。圖/pixabay

過去談到物聯網的資訊安全,許多人都會先想到軟體及網路加密連線,但其實除了網路層面的安全防護,實體設備同樣存在著威脅。一旦出現仿冒晶片或其他問題,駭客就可能透過網路遠端控制設備獲得金鑰和其他敏感資訊,進而造成企業損失。以軟體為主的資安設計已不再足以提供全面保障,這也是為什麼基於硬體的安全技術開始逐年受到青睞。

全名為「物理不可仿製功能」 的 PUF 就是這樣一種硬體安全技術。透過半導體製程中引入的隨機變數,讓晶片在微觀結構上產生些許差異,在變數無法預測及控制的情況下,複製該晶片成為幾乎不可能的事,減少遭人逆向工程或操作的擔憂。這樣的隨機性、唯一性及不可複製性,讓 PUF 彷彿成為一種「晶片指紋」的存在,因此自然也變成新世代資安「零信任」(Zero Trust)架構下的熱門選擇。

不同於傳統資訊加密技術將密鑰儲存在設備的方式,PUF 技術主要使用一個客製應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit , ASIC)或現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array , FPGA)就可以完成,透過製造時挑戰/反應數據庫(Challenge/Response)的建立,便能在無須加密認證演算法的情況下對設備進行驗證,防止身分被竊取、竄改的同時,也免除了將私鑰儲存在設備的額外成本以及金鑰遺失的風險。

自 2013 年開始,PUF 已經開始逐漸受到重視,只是就像所有的密碼學應用一樣,儘管 PUF 技術存在著這些驚人特性,駭客攻擊手法也仍在持續演化中。國外一些研究已經證明,透過機器學習,AI 技術還是可能預測出密鑰並獲取數據,因此針對 PUF 技術的改良研發也仍在持續進步中。

以賓州大學團隊 5 月公布在《 Nature Electronics 》的最新研究為例,工程科學與力學助理教授 Saptarshi Das 就進一步結合了石墨烯(Graphene)的諸多特性,開發出一種新型低功耗、可擴展及可重構的 PUF,在面對 AI 攻擊時也能保持顯著彈性不易被入侵。

據研究人員表示,透過石墨烯獨特的物理和電學性質,新型 PUF 更加節能、可延展,即使受到 AI 攻擊試圖預測金鑰,受損的系統也可以在不需要額外硬體或更換元件的情況下重新配置過程並生成新密鑰,藉此有效抵抗對傳統矽製 PUF 構成威脅的 AI 攻擊。

隨著物聯網走入各大產業、設備數量大規模增長,可想見更嚴峻的資安挑戰也即將到來。目前國內廠商及研究團隊許多針對 PUF 的努力正在進行,除了矽智財知名大廠力旺開發的 NeoPUF 技術,成功大學電機系張順志教授進行的研究也是其中之一。

在「具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作」整合型計劃中,張教授希望透過超低功耗之類比數位轉換器設計技術及內建物理密鑰技術、 AI 輔助訊號轉換電路設計技術的研發,來提升物聯網晶片的安全性與穩定性。據了解,該項目已經進入後期階段,將基於先前的經驗嘗試完成整個物聯網系統的實體整合與量測驗證。

資料來源

  1. 初探物聯網安全趨勢下PUF晶片安全發展機會|跨域資安強化產業推動計畫網站 ACW
  2. 具高安全性且低耗能之物聯網晶片電路及系統之分析、設計及實作-子計畫三:應用於高安全性且低耗能物聯網系統的類比至數位轉換器之研製( I )
  3. Stabilization in Physically Unclonable Constants
  4. Graphene key for novel hardware security | Penn State University

科技大觀園_96
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