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怎麼合成人造鑽石?人工合成的鑽石是真的嗎?

李赫
・2019/01/29 ・2355字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

人造鑽石搭配完美車工一樣耀眼動人。
圖/diamant

「鑽石恆久遠,一顆永流傳」是大家耳熟能詳的廣告詞。

鑽石是自然礦物當中最堅硬的,所以被用來象徵愛情的堅定。鑽石的形成相當不容易,要在地心承受熱力及壓力,經過幾千萬年,才能把碳化物轉化成鑽石,還要等待時機,藉由火山爆發或其他自然地心變動,才能將它由地心帶上地表,因此非常稀有。

圖/pixabay

鑽石的組成引起科學家的興趣。西元 1796 年,英國化學家譚能特 (Smithson Tennant, 1761-1815) 發現等重量的木炭與鑽石經過燃燒會產生等體積的二氧化碳氣體,因而證明鑽石與木炭同樣是碳元素的組成物,只是兩者外型不同而已。這項實驗結果發表後震驚學術界,吸引了不少科學家爭相投入研究並且合成鑽石,但此後的 150 年內並沒有任何一位科學家成功合成鑽石。

我想把石墨變成鑽石!可行嗎?

鑽石與石墨(常見用途為鉛筆筆心)兩者均是由碳原子組成,特性卻有天壤之別,其主要差異來自於原子排列方式不同。即使相同的元素組成,只要排列方式不同,特性就不同。

換句話說,如果能夠將石墨進行重新排列,就能夠將低價的石墨變成閃閃發亮的鑽石,這可能會比找到失落的寶藏更令人振奮。

首先我們來看看石墨與鑽石在結構排列上的差異:

(A) 石墨的碳原子排列  (B) 鑽石的碳原子排列
圖/John A. Dutton e-Education Institute

如圖中 (A)、(B) 所示,石墨的結構為平面的層狀排列,而鑽石則為三維度的立體排列。

另外,在上圖中可以看到,石墨上的每一個碳原子周圍有三個碳原子相接鄰(專業的說法稱為「配位」),也就是三配位;而在鑽石當中,則是每一個碳原子為四配位。

換句話說,如果要將石墨轉化成鑽石,最主要的部分就是碳原子配位數的改變。而這樣的改變涉及結構的重組,需要很大的能量。

來打造一顆鑽石吧!

那麼有沒有辦法把廉價的石墨轉化成昂貴稀有的鑽石呢?我們先來了解鑽石在自然界中是如何形成的:

鑽石在地球深處約 5 萬大氣壓力和攝氏 1,200 度以上的條件生成後,經由火山噴出,快速冷卻;但若冷卻緩慢、停留時間夠長,鑽石就有可能轉化成石墨。

所以如果要製造鑽石,就要在實驗室想辦法創造在地殼內形成的這些條件。

高壓高溫法

在 1954 年聖誕節前,美國通用電器公司以高壓高溫法 (High Pressure and High Temperature, HPHT) 在 70,000 大氣壓及攝氏 1,600 度的環境之下將石墨轉化為鑽石,合成出第一顆人造鑽石。但這顆鑽石很小,只有 0.15 mm ,距離量產還相當遙遠。

第一顆人造鑽石的誕生。
圖/The New York Sun

在此合成的過程中,將石墨置於熔融狀態的鐵、鈷、鎳當中,使石墨也處於熔融狀態,可以進行重排並且催化反應的進行。這樣的環境提供了石墨轉化為鑽石所需要的能量。在此情形之下,層狀石墨(如下圖 (a))。仍然為三配位,漸漸地有少數碳與其他層間的石墨形成四配位,局部破壞了原有的石墨結構。當反應繼續進行下去,有愈來愈多的碳形成四配位的碳(如下圖 (d)),最後形成了鑽石的結構。

石墨轉化為鑽石的機制。
圖/論文〈Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition

化學氣相沉積法

前述高壓高溫法這樣製造鑽石方式過程太過緩慢,無法滿足商業需求。於是到了 1960 年代,又發展出化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD)。

經過改良且適合用於量產的化學氣相沉積法,是先將一顆小小的鑽石「核心」放入真空環境去除雜質,然後科學家往裡注入溫度高達攝氏 3,000 度的甲烷和氫氣,這些高溫氣體會裂解生成帶電荷離子體,而從甲烷裂解物中釋放出碳原子。碳離子會沉積在「核心」表面,並且複製原來放進去的天然小鑽石核心的結構繼續成長,以每小時 0.006 公厘的速度生長,一顆 1 克拉鑽石可以在幾天內生長完成(如下圖所示)。

氣相沉積法製造人造鑽石。
圖/dailymail

目前生產人造鑽石的公司 Diamond Foundry ,則是將高壓高溫法 (HPHT) 與化學氣相沉積法 (CVD) 兩者混合使用,但實際製造方法因具有高度商業價值所以極為保密。

人造鑽石再也不是夢

在實驗室長出來的人造鑽石跟天然鑽石的化學結構完全相同,它們有相同的物理特性,甚至鑽石鑑別專家僅憑肉眼也無法分辨。也因為沒有開採的昂貴成本,這些人造鑽石的市場售價能比天然鑽石低 20% 到 40% 不等。

所以當你看到人造鑽石的時候,千萬不要說它是假的,因為它可能比天然鑽石更純、雜質更少。

圖/pixabay

參考文獻 :

  1. H. Tracy Hall, 88, Created Man-Made Diamonds 
  2. Xie, H., Yin, F., Yu, T., Wang, J., & Liang, C. (2014, August 4). Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition. Scientific Reports
  3. Get YOUR wedding ring 20% cheaper! Scientists GROW diamonds in a lab that are almost indistinguishable from natural stones 

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李赫
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中央大學理學博士。為熱愛傳播知識與吸收知識的 作家/教育/研究學者。 對於居家設計與生活時尚亦有高度興趣 (FB作者專頁)。

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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柔軟的導電革命:前所未見的無序高分子導體
linjunJR_96
・2022/12/30 ・1995字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

只有金屬會導電?

怎麼樣的材料能導電?這個問題的答案或許將永遠改寫。

怎麼樣的材料能導電?金屬?這個問題的答案或許將永遠改寫。圖/pexels

芝加哥大學的研究團隊發現了一種新的合成材料,擁有塑膠般柔軟的非晶體結構,同時又有金屬般的導電性質。

講到導體,首先會想到的是老字號的金屬家族。金銀銅鐵這類材料是由單一金屬原子排列成整齊的晶格,自由電子可以穿梭其中。大約從十八世紀開始,科學家便知道常見的金屬可以用來傳導電荷,並將物質分為導體和橡膠這類的絕緣體。利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。

利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。圖/pexels

相隔許久後,二十世紀後半幾次意外的實驗讓科學家發現聚乙炔這種高分子聚合物在摻雜了些許碘原子之後,也能表現出良好的導電性。這完全顛覆了人們對於導體的認知:

原來除了金屬材料之外,塑膠聚合物也可以作為導體。

和傳統無機材料比起來,導電聚合物的製程簡單便宜,也有較好的可塑性,被俗稱為「導電塑膠」。這種突破性的材料帶來了新一波的電子產品,像是有機發光二極體(OLED)螢幕、有機太陽能電池、以及有機半導體科技等等。

儘管有著導電塑膠的響亮名號,但是導電聚合物和金屬導體一樣,都有緊密整齊的晶格結構,讓特定能量的電子可以順暢地流通。事實上,現代的固態理論認定固態材料必須要有這些整齊排列的晶格,才能有效地傳導電力。像是玻璃、黏土、橡膠這些結構無序的非晶體材料則肯定無法導電。

從左到右分別是有序的晶體、無序的非晶體、和氣體。圖/ Encyclopædia Britannica

再一次超越想像,無序材料也能導電

不過芝加哥大學博士生 Jiaze Xie(現為普林斯頓大學博士後研究員)近期發現了另外一種可能性。他選擇了 TTFtt 這種高分子作為嘗試的目標。TTF 結構本身在數年前就已經被發現可以作為導電高分子的組成單元,但因為合成技術困難,並沒有受到研究圈的關注。Jiaze Xie 將鎳原子鑲在碳原子和硫原子組成的長鏈上,合成出全新的 NiTTFtt,開始了一系列的實驗。

在實驗室中,NiTTFtt 展現了不錯的導電性。但最令人驚訝的是,X 射線繞射結果顯示它的分子結構是無序的,沒有整齊的晶格結構。它是一種理論上不該存在的「無序高分子」導體。

事實上,NiTTFtt 的質地就像是小朋友的玩具黏土一樣,只要將一坨 NiTTFtt 黏在電路上,就可以開始導電。這表示它有著幾乎無人能敵的可塑性。除此之外,它還十分的穩定。實驗人員將它加熱到攝氏兩百多度、放在潮濕的空氣中幾十天、在它身上滴強酸強鹼,想盡各種方式考驗它,但它的導電性在各種條件下幾乎都能保持穩定,顯示其實際應用的潛力不容小覷。

這種被現有理論排除的材料為什麼有辦法存在呢?研究團隊利用掃描式電子顯微鏡和 X 光繞射的探測結果建構出了下圖的原子結構模型,企圖對這種前所未見的材料提出解釋。

每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元,他們首先組成長長的一維長條。圖/參考資料

以每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元。他們首先組成長長的一維長條(左),平行堆疊成千層派一樣的結構(中),並橫向排列形成立體的材料(右)。注意到每個長條排列的方向雖然一樣,但是並不需要有規律的秩序。

透過理論計算和電腦模擬,研究團隊發現長條之間即使經過平移或是扭曲,電子活動的範圍還是能維持足夠的重疊,讓電子能夠穿過不規則排列的千層派結構。也就是說,NiTTFtt 的特殊原子結構使得其導電性能在非結晶結構下屹立不搖。

獨一無二的特性,或許可以帶來更多的突破

NiTTFtt 獨一無二的材料性質顛覆了固態物理的既有認知,讓這份研究登上了《自然》期刊。由於電子產品是如此無所不在,任何關於導電材料的發展都會帶來無限的可能性。NiTTFtt 的可塑性以及耐溫耐濕耐酸鹼的超人特性開啟了許多傳統導體無法想像的機會。

研究團隊向全世界示範了有機分子只要有適當的結構,就可以在非結晶排列下維持金屬般的導體性質。他們也期待「無序高分子」導體能夠像金屬導體和導電聚合物兩位大前輩一樣,為人類社會帶來革命性的科技突破。

參考資料

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油炸的聲音學:水滴在油鍋中的三種爆炸方式
linjunJR_96
・2022/12/28 ・2397字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

廚房小秘訣:用竹筷試油溫,原理是什麼?

傳統的烹飪智慧告訴我們,要判別油鍋的溫度不需要溫度計,只要插入油鍋的竹筷周圍開始浮現細小的氣泡,便表示油鍋溫度已達,可以開始放入食材。另外,煎牛排或是炒菜時,如果在食材下鍋的當下沒有聽到美味的滋滋聲,通常便表示溫度太低,無法做出漂亮的料理。

在廚房中,我們時常可以靠耳朵來測量溫度。這些氣泡和相應的 嗶啵聲來自於筷子(或食材)中的水分碰到滾燙的油鍋時,瞬間蒸發產生的微小爆炸。

傳統的烹飪智慧告訴我們,要判別油鍋的溫度不需要溫度計。圖/pexels

猶他州立大學機械航太工程系的木山景仁(Akihito Kiyama)對這個現象很有興趣,拿起高速攝影機和麥克風紀錄了竹筷插入熱油中的事件,希望能仔細觀察熱油中的劇烈反應。出乎意料的是,他發現油鍋中的水滴在爆破時有三種主要的型態,各個所產生的氣泡形狀及爆破聲音都非常特別。

做為一個初步實驗,他首先直接將浸過水的竹筷插入高溫油鍋內。下圖可以看到氣泡的數量和大小都明顯和溫度成正相關,看來流傳許久的廚房秘訣沒有讓我們失望。

可以看到氣泡的數量和大小都明顯和溫度成正相關。圖/作者提供

此外,他也觀察到氣泡數量和筷子中的含水量有明顯的關聯,沒有事先浸水的竹筷產生的氣泡少很多。另一方面,若是改用乾燥的金屬筷則不會觀察到任何氣泡,因為當中幾乎沒有任何水分。

顯然的,水分多寡是重點。但由於每雙竹筷的組成與含水量較難控制,研究團隊改用一條兩端懸掛的U形鐵絲,浸水後連著底部沾黏的水珠一同緩緩放入熱油中,等同於是在油炸一顆水珠,將實驗聚焦在水滴帶來的氣泡爆破。

氣泡的三種型態

利用每秒一萬張的高速攝影以及近距離收音的麥克風,研究團隊企圖進一步觀察爆破過程的細節以及產生的聲音特性。

根據爆炸時的不同深度,他觀察到三種氣泡型態:

第一種是爆破型氣泡。當水滴幾乎一接觸到油面就蒸發膨脹,引發一個凸出油面的圓形氣泡。最後在破裂時噴濺出大量的油滴。

爆破型氣泡。影/作者提供

第二種的拉長型氣泡在較深的位置才開始膨脹,因此沒有造成液面破裂,反而是朝上射出高高的柱狀熱油,同時氣泡則向下延伸形成一個長形的空氣室。

拉長型氣泡。影/作者提供

爆破型和拉長型氣泡的聲音雖然聽起來不太一樣,但是頻率特徵基本上大同小異,都是 1400 的赫茲清脆爆破聲響。值得一提的是,在這兩種情況下爆破聲響都不是來自油面上可見的泡泡破裂。從高速影像和錄音結果的比對可以發現,聲音的最大值明顯出現在泡泡破掉前的膨脹階段。此時的高溫蒸氣快速膨脹,劇烈壓力改變帶來空氣震波,基本上和空氣中炸彈發聲的原理一模一樣。因此說這些氣泡正在「爆炸」可是一點都不誇張。

除了上面兩種氣泡之外,當水珠意外從鐵絲上滑落掉入熱油中,研究人員發現了第三種與眾不同的表現:震盪型氣泡。由於掉落速度較快,水珠一直到較深的位置才開始汽化膨脹,並在液體表面下進行每秒數百次的膨脹收縮,過程持續了幾毫秒,最後消散成數個小氣泡。

震盪型氣泡。影/作者提供

儘管沒有明顯的噴濺或爆破,震盪型氣泡仍然會引發聲響,但聽起來似乎和前面兩者不太一樣,持續時間也較久。仔細一看,聲響的主要頻率竟然和高速影片中氣泡膨脹收縮的頻率不謀而合,都在 800 赫茲左右。研究人員因此推測,震盪型氣泡產生的聲響其實是來自於油面下的高速震盪。

研從上到下分別是爆破型、拉長型、震盪型氣泡。
圖/作者提供

關於震盪行為的起源,研究人員沒有提出直接的解釋。不過他們同時觀察到另一個有趣的現象:氣泡在下方高速震盪時會對熱油表面造成擾動,讓某些原本浮在油面相安無事的小氣泡破裂並噴濺。這顯示熱油表面的氣泡對於物理擾動十分敏感,可能也是造成廚房中熱油噴濺的主要原因之一。

這三種型態,不限於油鍋

說到這,有一個重要的問題還沒問:這三種氣泡的形態和油溫高低有沒有關係呢?也就是,我們能不能用不同的氣泡型態或爆炸音高來判別油溫高低?研究人員嘗試了 170 度到 220 度的常見油溫,發現三種氣泡型態在各種溫度都有機會出現。油溫的最佳判準,或許還是簡單的一根竹筷。

這次研究的眼光也不僅止於家中的廚房。大自然中的液面噴濺,例如海邊拍打的浪花還有火山爆發時的熔岩,會產生懸浮於空中的液體微粒,也就是氣溶膠(Aerosol)。不論是天然還是人工製造氣溶膠,都對環境有很大的影響。來自海浪的海洋氣溶膠主宰了全球氣候,而人為排放的氣溶膠則是我們看到灰濛濛的空氣汙染。

木山景仁和他的團隊希望透過這次研究辨明不同的氣泡種類與相對應的聲音特徵,用於發展音訊偵測技術來監控熱油噴濺或是氣溶膠形成的過程。

下方是研究團隊製作的精華影片,收錄了各種溫度下的竹筷氣泡以及三種氣泡型態的聲響,讓讀者親耳體驗油炸食物的美妙聲響。

各種溫度下的竹筷氣泡以及三種氣泡型態的聲響。影/Youtube

參考資料