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「稀土戰爭」的起點:七種元素因這個村莊而被發現!

活躍星系核_96
・2019/06/05 ・2753字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

  • 本文授權轉載自領研公眾號
  • 编译/谢汝雨 杨心舟@环球科学

今年是元素週期表誕生 150 周年,已經有 118 種元素在這張表上找到了屬於自己的位置。在第 Ⅲ 族副族裡,有一群特殊的元素,它們又被稱作稀土元素,是當今各種高科技領域是必不可少的金屬元素。而其中 7 種元素都因一座村莊而發現,4 種都以村莊的名字命名。

一座因元素出名的村莊

離斯德哥爾摩不遠的 Resarö 島上,有一個叫做伊特比(Ytterby)的村莊,它是化學史上有舉足輕重的地位。在化學家中,都存在一種對該村莊的誇張描述:

元素週期表可以分為兩部分,一部分叫 Ytterby 元素,另一部分叫其他元素。

儘管伊特比只是一個小村莊,其對元素週期表的貢獻非常大,世界其他地方能發現 2 個元素的都屈指可數,但在伊特比就直接產出並根據 Ytterby 命名了4種,而還有 3 種也是因該地的一塊礦石才得以被發現,也就是說這塊土地讓元素週期表上拓展了 7 種元素。

當然要在一個地方同時發現如此多的元素,和元素的性質有很大關係。伊特比區域發現的這些元素都屬於稀土金屬,稀土金屬有一個很大的特點,就是其是由許多元素混合在一起組成的,當你獲得一塊天然的稀土金屬,基本上就獲得了幾種不同的元素。而伊特比就是這麼一個地方,富含稀土礦藏。根據考古學家推測,在上一個冰川期結束時,冰川消融帶走了該區域大部分表層土壤,因此這些底層的稀土礦藏就暴露出來,很容易被開發。

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伊特比採石場。圖片來源:Wikipedia

最初,伊特比並不是為了採集稀土資源而存在的,其礦場僅僅只是用來尋找一種叫做長石的礦物。長石是用來製作陶瓷的重要原料,馬可波羅於14世紀初期將陶瓷引進至歐洲後,歐洲人開始瘋狂地愛上了這種實用且高效的舶來品。幾百年來這裡的礦工都會從挖出的礦藏中選出長石,其他的就當做廢棄物直接倒掉,直到1787年,Seva炮兵團中尉卡爾.阿克塞爾.阿倫尼烏斯(Carl Axel Arrhenius)注意到了長石採礦場中一塊棄置的黑色礦物碎片,他將其送給了化學家朋友約翰.加多林(Johan Gadolin)進行分析。後來,這塊碎片成了意義非凡的礦石:人們從此開始對稀土元素展開了長久的探索。

一塊改變元素史的礦石

卡爾本身的工作其實和礦石沒太大關係,但事情很奇妙,他在瑞典皇家鑄幣廠工作時認識了研究礦石的化學家Peter Jacob Hjelm,卡爾也耳濡目染地對化學和礦物產生了興趣。因此當他在礦場發現這塊從未見過的黑色礦石後,直覺告訴他這塊礦石並不普通,他將其以發現地伊特比村為名,叫做「ytterbite」石塊(現已知為矽鈹釔礦),並送給了加多林檢驗。

這塊礦石上端黑色部分,就是當年中尉發現的物質ytterbite,中文名矽鈹釔礦。圖片來源:Joshua Howgego

收到樣品的加多林經過認真分析,發現樣品中約有 38% 為某種金屬氧化物,他將該氧化物命名為「yttria」。這一刻開始,稀土金屬中的元素開始逐漸浮現在了元素週期表中。為了直觀地展示村莊名 Ytterby 是如何變成元素名的,我們可以看下最先發現的 4 種稀土元素的名稱,它們分別是yttrium(釔),terbium(鋱),erbium(鉺),ytterbium(鐿),幾乎都是選取了村莊名的部分。

之後加多林多次對礦石進行了分析,他最終確定這塊礦石的氧化物成分為氧化釔(Y2O3),這也是最早被發現的稀土金屬化合物,加多林在 1794 年發表了這項結果。然而,Y2O3還不是元素,直到 1828 年,Friedrich Wöhler 通過鉀還原氯化釔得到了釔元素。元素週期表上 39 號位元的釔元素,終於安頓下來了。

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從 1787 年這塊礦石被發現,到釔元素聞名於世經歷了兩百年。1987 年高溫超導體誕生,它在極低的溫度(-180℃)下也具有強磁性,這個溫度對於常規超導體來說已經很高了,因此它也被應用於精密的核磁共振的設備中。而這種高溫超導體就用到了釔元素(實際為釔鋇銅氧化物),至此釔的商用價值也被逐漸開發出來。

一連串稀土元素

因為稀土元素同屬於第Ⅲ副族,它們的原子結構很相似,而其中的 15 種鑭系元素的最外層電子軌道完全一樣,區別僅在於次外層電子。這些相似的電子排布會讓這些金屬的化學性質很相似,幾種稀土元素經常紮堆出現,很難進行分離。因此,當年從伊特比村裡發現的矽鈹釔礦中提取的釔並不純粹,還含有其他稀土元素。

來自伊特比村莊的七種稀土元素發現史

1843年的時候,卡爾·古斯塔夫·莫桑德爾(Carl Gustaf Mosander)分析了礦石中的Y2O3成分,他發現礦石並不是只由氧化釔構成的,其還含有氧化鉺(Er2O3)和氧化鋱(Te2O3),他將這些氧化物依次用伊特比村莊命名為 yttria、erbia 和 terbia,相對應的,3 種金屬的名稱就是 yttrium(釔),erbium(鉺),terbium(鋱)。

鉺和鋱都是從矽鈹釔礦中分離出來的,但它們的顏色並不一樣,釔呈現出白色,鉺呈現出粉紅色,鋱則呈現出黃色,因此從顏色上就能很好地區分這三種元素,如果你買到了一些粉色或者玫瑰色的玻璃狀物體,裡面很可能就含有鉺。如今,鉺被用在一些皮膚科或牙科中使用的鉺鐳射機器中,因為其不會穿透人體,可以針對性地治療皮膚和牙齒疾病。而鋱經過硫酸化後,能夠產生黃綠色的螢光,因此被應用于顯示幕發光系統中。

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1878 年,瑞士化學家馬利克納(J.C.G.Marignac)從鉺中分離出一種新元素,他同樣以伊特比為該元素起名為 ytterbium(鐿),鐿元素最出名的是其被應用在了原子鐘中。隨後在 1879 年,瑞典化學家尼爾森(L.F.Nilson)採用馬利克納的方法從鉺中分離鐿,並分別測量兩種元素的原子量。結果尼爾森測的鐿原子量卻比馬利克納測得的輕,他認為這是鐿中混有其他原子量較小的元素造成的。尼爾森繼續分離鐿,發現了鈧,克裡夫從鉺中分離出鈥和銩。至此,從卡爾中尉拿到這塊黑礦石,到元素全部解析出來,歷經了近百年。

伊特比村莊釔路上的一座房子圖片來源:Joshua Howgego

在伊特比發現的七種元素不僅僅是元素週期表上的珍寶,更是構成先進技術的基礎:釔的導電電阻幾乎為零,構成了高溫超導體的一部分;鋱用於風力發電機的儲能;鉺摻雜的光纖放大器能補償通訊系統中的光損耗,稀土金屬在這些高科技領域的優良表現使得其成為了控制世界經濟走向的一大因素。正是由於其稀缺性及不可替代性,稀土元素也成為各國長期博弈的焦點。

而如今,伊特比礦區已經成為了高級住宅區,昂貴的房子矗立在以自然元素命名的街道上,原先的礦入口貼著 ASM International society頒發的紀念牌,這片相繼發現了七種稀土元素,並命名了其中四種元素的沃土已逐漸變換了模樣。

參考來源

  • Д.Н.特立豐諾夫,В.Д. 特立豐諾夫.化學元素發現簡史[M]北京:科學技術文獻出版社,1986:133-139
  • https://www.newscientist.com/article/2194112-the-village-where-more-elements-were-discovered-than-anywhere-else/
  • http://www.slate.com/articles/health_and_science/elements/features/2010/blogging_the_periodic_table/ytterby_the_tiny_swedish_island_that_gave_the_periodic_table_four_different_elements.html
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Ytterby
  • https://blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2016/10/15/the-ytterby-elements/

本文授權轉載自領研公眾號,原文標題:一座改变化学史的村庄:7种元素从这里诞生,它是“稀土战争”的最初起点

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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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賣火柴小女孩販售的「火柴」其實有毒?你所不知道的「磷」——《原子有話要說》
azothbooks_96
・2023/05/22 ・957字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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被誤認的「賢者之石」

與人體細胞、骨骼、生命活動密切相關的腺苷二磷酸(adenosine diphosphate,ADP)中的磷,是很重要的元素。磷的發現過程其實有點讓人不忍想像,古時候鍊金術師待人類尿液久置後腐臭,再加熱蒸餾提煉出磷,一開始磷被認為是為提煉黃金時所需的「賢者之石」。

圖/原子有話要說!元素週期表

我們在日常生活中使用到磷的是火柴,可是現今看到的火柴頂端的火藥裡並沒有磷,而是把磷移到火柴盒的摩擦面了。原理是摩擦火柴棒,讓火柴盒產生火花,藉此點燃火柴棒頂端的火藥,進而產生火光。

磷有很多同伴,組成成分明明只有磷,但外觀和特性卻截然不同,有紫磷、白磷、黑磷、赤磷、紅磷,或是白磷表面覆蓋紅磷的黃磷等。火柴盒上使用的是紅磷,而在西部電影中等常出現,隨時隨地都可以點燃的火柴則是黃磷。

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圖/原子有話要說!元素週期表

小女孩賣的火柴裡也有磷

安徒生童話「賣火柴的小女孩」誕生於十九世紀中葉,當時火柴剛問世不久,跟現代的火柴截然不同。小女孩賣的火柴是黃磷火柴,火柴棒較長,造價也高,通常是論根賣的。黃磷或白磷是一種具有劇毒的化學品,由於工廠屢屢傳出磷中毒的事件,現在已經禁止使用。

【常溫狀態】固體 【原子量】30.973762

【熔點】44.15˚C 【沸點】280.5˚C

【密度】1.82 g/cm3

【發現】1669 年,德國煉金術師布蘭德(Henning Brand )

【語源】希臘文 phosphoros,意思是帶來光明的。

——本文摘自《原子有話要說!元素週期表》,2023 年 4 月,漫遊者文化出版,未經同意請勿轉載。

azothbooks_96
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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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醞釀兩千年才誕生的「原子論」,源頭竟然是古希臘哲學?——《奇怪的生物知識增加了》
聚光文創_96
・2021/10/08 ・2059字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/蘇仁福、曾明騰
  • 繪者/Oliver Wei、卡斯威爾

此原子非彼原子

俗話說:「眼見為憑」,除了民間習俗或是崇拜超自然的宗教信仰以外,面對於無法親眼所見的事物,人們普遍抱持著懷疑與不信任的態度,過去的科學研究也是如此。

前面兩章的故事告訴我們,早期的科學,就是專注於眼前看得到、摸得到的明確對象。隨著科學技術的進步,時至今日,科學家們卻是反其道而行,投身於肉眼看不見的微觀世界中,發掘其中的蛛絲馬跡。

「原子」(atom),是組成物質的最小單位。

舉凡我們身上穿的衣服、呼吸的空氣,甚至是代步的交通工具,這一切的一切,都是由「原子」——這是在我們生活中看不見、摸不著卻又確實存在的東西——所構成。

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若是你認為書寫所使用的「原子筆」(ballpoint pen)跟這裡的「原子」是一樣的話,那可就是「張飛打岳飛,打得滿天飛」啦!

萬物起源

原子的概念,是距今兩千四百年前左右,由希臘哲學家德謨克利特(Democritus)所提出。

德謨克利特認為,宇宙中有無限多個質點,它們無法被進一步分解或是破壞。萬事萬物,都是由一大堆(究竟有多少他也不知道)、非常微小(小到多小他也莫宰羊)的質點所組成。

他將這些質點稱為「原子」,或者又叫「不可分割的東西」。他認為,正是因為這些原子的大小不一,形狀也不盡相同,造成世間萬物的存在型態、顏色、味道等種種不同。

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或許在德謨克利特的眼中,我們這些麻瓜口中的物質與空間,根本就是原子和虛空。

圖/聚光文創提供

同樣的哲學時代,另一位希臘哲學家恩培多克利(Empedocles),則依據當時人們對化學較為粗淺的認知,提出了自己的原子理論。

恩培多克利認為,物質是由「火、氣、水、土」這四大元素所組成。這四大元素會依據不同的成分與比例混合,構成這個大千世界裡的萬事萬物。

圖/聚光文創提供

用現代的眼光來看,這些與原子相關的學說或理論,根本可以算是神作——這艱澀難懂的程度,恐怕也只有神才能夠通盤理解了——更別提,當代人受教育的比例不高,不夠通俗易懂的話,還真沒有多少人能夠消化。

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正因為如此,原子論被古代哲學家棄置一旁。在之後,歐洲陷入了一段宗教狂熱的黑暗時期,一直到十九世紀,科學研究才再次登上世界的大舞臺。

曼徹斯特的驕傲

由於太過微小,可想而知,原子並非顯而易見的存在。

一七九三年,英國科學家道耳吞(John Dalton)搬到曼徹斯特,成為曼徹斯特新學院的數學和自然科學教師,揭開了原子研究的序幕。

出生於貧窮家庭的他,不僅對數學與自然科學天賦極高,還具備著科學家最重要的特質:好奇心。這個特質在他的生活中處處顯現,身為一個色盲患者,他甚至好奇的研究自己的視覺缺陷,因此成為第一個發表色盲研究論文的科學家。

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圖/聚光文創提供

除了自己的疾病,道耳吞也熱愛氣象研究。終其一生,他都在進行長期的氣象觀測,直到他登出人生 online,持續了整整五十七年。

有人認為,正是這持續終身的氣象研究,讓道耳吞對大氣的成分產生了興趣。他那著名的原子論,也是在研究氣體的過程中逐漸成形。

在此之前,化學家已經發現,並且證實了許多定律,例如著名的「波以耳定律」、「質量守恆定律」、「定比定律」 等等。

這些定律,為早期的化學界逐漸建立化學元素的概念,卻依然缺乏一個完整的理論來整合說明。

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一八〇三年九月六日,是道耳吞的三十七歲生日,他並沒有舉行宴會慶生,而是寫下了原子學說的基本假設。

圖/聚光文創提供

道耳吞的原子基本假設,是簡明扼要的三項原則:

  1. 原子是物質的最小單位,每種元素(element),都是由一種具有特定質量的原子所組成。
  2. 當兩種元素反應,生成不同的化合物時,其中一元素與另一種元素的質量,會構成簡單的整數比。
  3. 在化學反應過程中,不會產生新的原子,也不會有原子消失(或是變成其他原子)。
圖/聚光文創提供

一八〇八年,道耳吞出版了《化學哲學的新體系》(A New System of Chemical Philosophy)一書。在書中,道耳吞詳細的闡述了他的原子論,並且以獨特的符號,向人們展示他的原子。

——本文摘自《奇怪的生物知識增加了》,2021 年 10 月,聚光文創

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聚光文創_96
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據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。