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雪豹:我是愛吃沙拉的大貓!

bigcatzan_96
・2019/10/12 ・3068字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 465 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

文/大貓讚

雪豹:沙拉可以送上來了喔。圖/flickr

雪豹主要分布在中亞地區,空氣稀薄的高山上。像是喜馬拉雅山、青藏高原、天山和戈壁沙漠等等,牠們通常會在海拔 3,000m~4,500m 之間活動,也會超過 5,500m。當穿過河谷或者冬天跟著獵物時,就可能會下到 900m 處低海拔的地帶。 1

雪豹的生活範圍很廣闊,大約需要一兩百平方公里才夠牠到處走走晃晃,而公雪豹的家比較大2。牠們每天都會移動很遠的距離,能夠從容的踩在懸崖邊,經過大片的沙漠,或是穿過崎嶇陡峭的山上2, 3

酷寒、空氣稀薄,令人快要窒息的不毛之地,正是雪豹的天堂。

雪豹到底吃什麼?只能問「撿屎官」了

由於雪豹行蹤飄渺難以被人發現,被人稱做是山中精靈(Ghost of the Mountains),能親眼見到已經是萬幸了,哪裡敢奢求長時間的觀察。

在這樣的環境中,研究雪豹自然成為一個困難的任務。雪豹到底吃什麼呢?我們對牠們有哪些瞭解呢?

採集便便跟架設感應攝影機是很常用來研究大貓的方式。便便可以幫助我們了解動物的飲食、逛過的地方、牠們需要多大的生活空間以及周遭有哪些鄰居6因此,要研究雪豹,就要設法撿牠的便便!雪豹喜歡在山脊、狹窄的溝渠、岩石和懸崖邊,用爪子留下抓痕和噴灑氣味5。撿屎官通常會在這些地點附近找尋便便,還能順便培養斜槓技能成為極限運動玩家。(誤)

採集便便完要先曬乾,再送去實驗室驗 DNA 或被專業聞便便犬檢查過,確定那個便便是雪豹的註1。因為雪豹的便便跟狐狸和狼的外觀很相像,即便是專業的撿屎官,也有三分之一以上的機率會搞錯,所以需要借助聞便便犬或實驗室的幫助。早期分子技術沒有很先進,或採集完直接就做分析,所以可能錯誤估算了一些資訊7

Image Edit By Big Cat Zan. Credit Rodney Jackson

便便要被仔細的清洗,過篩。收集毛髮、羽毛、牙齒、蹄和骨頭這些沒有被消化的物質。烘乾48小時後,再比對毛髮骨頭的樣本是屬於哪些動物的4

從目前的資料我們得知,岩羊、塔爾羊和羱羊等等大型偶蹄類是雪豹主要的獵物1,牠們也會吃其他的哺乳類,像是土撥鼠、野兔和鳥類4

但是出乎意料的,許多研究都發現,草、樹枝和樹葉這些植物,佔雪豹便便很高的比例,最高可達62%註2,牠們在春天交配的季節植物吃得最多9

就算是貓科,偶爾吃沙拉還是有益健康?

貓科動物偶爾會吃一些植物10,有時候是因為獵物本身有附贈沙拉,內含土壤、小石子和植物,所以就順便吃下去11。但是雪豹吃得特別多,有些雪豹便便的主要內容就是植物,代表牠們是在空腹的時候直接點沙拉餐來吃的。還有一次研究員目擊到一頭雪豹在吃完肉之後,隨即就去吃植物。目前猜測雪豹是為了攝取植物中的某些化學成分,但尚未有更進一步的檢驗9

有不少植物都被發現在雪豹的便便裡面,但水柏枝屬(Myricaria)和紅荊屬(Tamarix)這些檉柳科(Tamaricaceae)下的灌木或小喬木植物出現頻率最高,可以說是雪豹最愛吃的植物。

水柏枝屬植物插畫。圖/Wikimedia

由於肉類比植物來的容易消化,所以肉食性動物的消化管比較短而且構造相對簡單,消化植物的能力也較差。例如,盲腸能夠大大的幫助攝入的物質發酵,這一點對需要吃大量植物的草食性動物很重要12。所以肉食性動物的盲腸很短,或者根本沒有盲腸13。貓科動物則是有小小的盲腸,而且腸道微生物叢基因體與雜食性動物相似14 。

貓科動物的消化系統
Image Edit By 大貓讚Big Cat Zan. Credit apokusay , Digestive system of the cat vector image, VectorStock.

儘管有結構、生理上的差異讓貓科動物在攝取植物時的效率不那麼好,但研究已經發現在某些貓科動物的食物中添加植物元素對於健康是有幫助的。儘管膳食纖維不直接提供能量或營養,但能維持腸內黏膜的健康17

舉例來說,若在動物園花豹的飲食當中添加菊芋,可以使腸道益生菌增加15。在老虎、美洲豹和獵豹的飲食裡面添加甜菜渣,大貓的便便會變得較多且柔軟、pH值也降低16。非洲獅也會自行去攝取植物,應該就是為了保持消化道暢通和排便通順18

野生的肉食性動物在沒有獵物來源的時候也會去吃水果、野果和草。例如狐狸如果沒有齧齒類和鳥類可以捕食的話,就會吃冷凍蘋果、山毛櫸和玉米13。在西非象牙海岸的茂密原始森林裡,花豹也曾經被記錄到會吃某些特定植物來渡過挨餓的期間19

餐前沙拉可以充當空腹時的乾糧,維持腸胃道運作20。獵物附贈的隨餐沙拉,和餐後沙拉都提供膳食纖維,並能幫助攝取特定的化學物質。

不論是餐前上或是餐後送,雪豹吃沙拉真是好處多多!

註解

  1. 實驗室的價格通常比便便犬貴,而且案件很多的話,可能要等上幾個月才會處理。聞便便犬判斷的原理跟緝毒犬類似。牠們先從動物園雪豹的便便認識味道,工作時只要聞一下馬上就可以分辨,完全不需要帶牠到戈壁沙漠或喜馬拉雅山去見雪豹。
  2. 幾份觀察到雪豹吃沙拉的的論文裡面,植物佔便便的比例分別有:
  • 19.3%(尼泊爾馬南區的Marsyangdi河谷 )
  • 41%(印度拉達克)
  • 45%(吉爾吉斯斯坦Sarychat-Ertash保護區)
  • 62%(尼泊爾馬南區的Phu河谷)

參考資料

  1. Jackson, R.M., “Home Range, Movements and Habitat Use of Snow Leopard (Uncia Uncia) In Nepal,” 1996.
  2. Örjan Johansson,Geir Rune Rauset,Gustaf Samelius,Tom McCarthy,Henrik Andrén,Lkhagvasumberel Tumursukh,Charudutt Mishra, “Land sharing is essential for snow leopard conservation,” 2016.
  3. Thomas M. McCarthy,Todd K. Fuller,Bariusha Munkhtsog, “Movements and activities of snow leopards in Southwestern Mongolia,” 2005.
  4. Devkota, B. P., Silwal, T., and Kolejka, J., “Prey density and diet of snow leopard (Uncia uncia) in Shey Phoksundo National Park, Nepal,” 2013.
  5. Ahlbom Gary C. and M. Jackson Rodney, “Marking in Free-Ranging Snow Leopards in West Nepal: A preliminary assesment,” 1988.
  6. Jennifer Bryson, “A Visual Aid To Identifying Scat,” 2017. pp. 3.
  7. Kyle P. McCarthy, Todd K. Fuller, Ma Ming, Thomas M. McCarthy, Lisette Waits and Kubanych Jumabaev, “Assessing Estimators of Snow Leopard Abundance,” 2008.
  8. Anwar, M.B., Jackson, R., Nadeem, M.S. et al. Eur J Wildl Res, “Food habits of the snow leopard Panthera uncia (Schreber, 1775) in Baltistan, Northern Pakistan,” 2011.
  9. Chundawat, R. S. and Rawat, G. S., “Food Habits of Snow Leopard in Ladakh, India,” 1990.
  10. Fiona Sunquist, Mel Sunquist, Wild Cats of the World, 2014., pp. 45.
  11. Oli, M. K., Taylor, I. R., and Rogers, M. E., “Diet of the snow leopard (Panthera uncia) in the Annapurna Conservation Area, Nepal.,” 1993.
  12. 鍾楊聰, 生物學中文版(下冊) Campbell Biology 8th edition, 偉明, 2014, pp. 1008.
  13. Cleveland P. Jr. Hickman, Larry S. Roberts and Allan Larson, Integrated Principles of Zoology 11th edition, 2001, pp. 620-621.
  14. Kathleen A. Barry, Ingmar S. Middelbos, Brittany M. Vester Boler, Scot E. Dowd, Jan S. Suchodolski, Bernard Henrissat, Pedro M. Coutinho, Bryan A. White, George C. Fahey, Jr., and Kelly S. Swanson, “Effects of Dietary Fiber on the Feline Gastrointestinal Metagenome,” 2012.
  15. Pradhan SK, Das A, Kullu SS, Saini M, Pattanaik AK, Dutta N, Sharma AK, “Effect of feeding Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus) root as prebiotic on nutrient utilization, fecal characteristics and serum metabolite profile of captive Indian leopard (Panthera pardus fusca) fed a meat‐on‐bone diet,” 2015.
  16. Kerr KR, Morris CL, Burke SL, Swanson KS, “Influence of dietary fiber type and amount on energy and nutrient digestibility, fecal characteristics, and fecal fermentative end-product concentrations in captive exotic felids fed a raw beef-based diet,” 2013.
  17. Pat Erickson, “Feline Constipation,” 2014., pp. 45-46.
  18. Y. Smith, H.O. de Waal and O.B. Kok, “Aspects of Carcass Digestibility by African Lions (Panthera leo Linnaeus, 1758) under Captive Conditions,” 2006.
  19. Hoppe Dominik, “Grass-eating Leopards: Wolves Turned into Sheep?,” 1988.
  20. D. P. Mallon, “Status and Conservation of Large Mammals m Ladakh,” 1991.
  21. Jumabay-Uulu, K., Wegge, P., Mishra, C., and Sharma, K., “Large carnivores and low diversity of optimal prey: a comparison of the diets of snow leopard Panthera uncia and wolves Canis lupus in Sarychat-Ertash Reserve in Kyrgyzstan,” 2014.
  22. PerWegge, Rinjan Shrestha, and Øystein Flagstad, “Snow leopard Panthera uncia predation on livestock and wild prey in a mountain valley in northern Nepal: implications for conservation management.,” 2012.

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用這劑補好新冠預防保護力!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 ・2874字 ・閱讀時間約 5 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年歐盟、英、法、澳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,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

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
倍拉維
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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蘭「大」如虎:世界上最巨的蘭花,你知道嗎?
張文忻_96
・2023/01/06 ・2511字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

虎蘭:最重可達兩噸的蘭花

時光飛逝,虎年行將結束,或許大家在年初的時候讀過一些俗名帶「虎」字的植物,但其中卻有一種罕為人知——那就是 tiger orchid「虎蘭」。虎蘭是金氏世界紀錄(Guinness World Records)最大的蘭花,最重可達兩噸,是蘭花中當之無愧的「巨無霸」;它的花為黃色,帶有栗色或暗紅色的斑點,是不是和老虎神形皆似呢?

盛開的虎蘭。圖/Lily M.J.Chen 陳美君攝

虎蘭 Grammatophyllum speciosum 隸屬於斑被蘭屬,差不多兩百年前由著名植物學家卡爾.路德維希.布魯姆 Carl Ludwig Blume(1796-1862)根據他本人采自印度尼西亞爪哇的標本命名的。

布魯姆在荷屬東印度群島和荷蘭本土度過了他的職業生涯,對東南亞的植物進行了廣泛而深入的研究,出版了《荷屬東印度群島植物誌》等專著。從 1823 年至 1826 年,他任職於印尼茂物植物園,虎蘭就是在此期間命名的。虎蘭的拉丁屬名 Grammatophyllum 由兩部分組成:源自希臘文的 grammatus 是「有凸起條紋」的意思,phyllum 是「葉」的意思,意指葉片上有條紋狀凸起;種加詞則是「美麗的,壯麗的」意思。

植物學家卡爾.路德維希.布魯姆(Carl Ludwig Blume;1796-1862)。圖/Wikimedia
虎蘭的模式標本
。左側圖片顯示花朵,右側圖片顯示假鱗莖的一部分;
目前收藏在荷蘭萊頓標本館。圖/鄧雲飛博士提供

你說虎蘭大?到底有多大?

虎蘭到底有多大呢?說起來,它乃一眾嬌弱蘭花中的「重量級」選手。虎蘭的植物體成簇生長,由根部伸出數十條或者上百條巨大的圓筒形肉質假鱗莖,可長 到2~3 米,如果在花期,前端再伸出 1~2 米的花序,每個花序上可開 80~100 朵花,單花直徑約 10 厘米,總重可達幾百千克到兩噸。一般轎車約重 1.5 噸,也就是說最大的虎蘭比轎車還重!所以它又被叫做巨蘭(giant orchid)、女王蘭(Queen of the orchids)。

虎蘭開兩種花:可育的花長在花序頂端,有 5 個花瓣;不育的花靠近花序基部,帶有花香,有 4 個花瓣。

虎蘭為 5~ 8 月開放,一般 2~5 年開一次花,花期 40 天以上,花香清新淡雅,沁人心脾,加之龐大的體型,繁花似錦,蔚為大觀,極具觀賞價值。

虎蘭的葉。圖/Instagram
虎蘭的總狀花序。圖/Lily M.J.Chen 陳美君攝
蘭的果實。圖/何文釧博士攝

虎蘭原產於東南亞的泰國、緬甸、老撾、印尼和菲律賓等地,喜熱喜濕,常附生於低地熱帶雨林中的大樹枝椏上,根盤旋纏繞、錯綜復雜。與寄生不一樣,它們利用空氣中的水汽、雨露和腐殖質(枯枝殘葉、動物排泄物等)維生,而不是從所附著的大樹中吸取養分。附生的優點是借助其他植物而「長」得比較高,「站在巨人的肩膀上」受到更多的陽光照耀,利於光合作用。

附生在大樹上的虎蘭。圖/何文釧博士攝

野生虎蘭面臨數量危機

虎蘭用途甚廣,形貌昳麗的它現在主要作為觀賞植物被栽培在各處,增添別樣的風景。但在傳統上,它們被東南亞人民利用到生活中許多方面。

在泰國,虎蘭可入藥,把莖幹搗碎,與米酒混合後過濾,濾液就是治療有毒動物咬傷的解藥;在印尼的蘇拉威西島上,人們把虎蘭種子磨成粉末敷於傷口上可以消炎並促進愈合;在蘇門答臘島上,虎蘭用於治療新生兒黃疸;有些地方還將新鮮虎蘭的根用水煎服以治療胃病。不僅如此,虎蘭的假鱗莖可食用,在馬來西亞的某些地方,人們把它切成薄片炒食。

紐約布魯克林植物園的虎蘭盛開。圖/Brooklyn Botanic Garden

隨著社會經濟發展、環境破壞及人類過度采集,野生虎蘭的數量日益減少,面臨巨大的生存壓力。它被列入《瀕危野生動植物種國際貿易公約》附錄 II,對其貿易加以嚴格控製。另外一方面,一些科研機構和園藝公司用無菌播種技術大規模培育蘭花,虎蘭也不例外。通過無菌播種來繁殖,能在短期內得到大量的組培實生苗,再將它們種植到合適的地方。

新加坡國家公園局和植物園就對此做了很好的示範,它們從 1996 年開始通過人工方式培育虎蘭的種子,種子萌發後的小苗在實驗室培育兩年,再把幼苗回歸到它們的原產地烏敏島(Pulau Ubin,位於新加坡東北部)的芒果、榴蓮、雨樹、紅毛丹等樹上,待它們再長大一些,再移栽到植物園、Bukit Timah 自然保護區、新加坡市中心的烏節大道(Orchard Boulevard)等處,基本獲得成功。

既然有最大蘭花,那最小是哪一種呢?

上文介紹了世界上最大的蘭花,那估計你也有興趣想知道世界上最小的蘭花有多大。目前,世界上最小的蘭花為麗斑蘭屬的 Lepanthes oscarrodrigoi,是危地馬拉和法國的植物學家在 2018 年在危地馬拉發現的。

該蘭花花序僅 4 毫米長,每一朵花有兩瓣 0.15 毫米長、0.3 毫米寬的花瓣,花柱直徑 0.4 毫米,大小同削尖的鉛筆尖差不多。它長在樹枝上,被苔蘚覆蓋,很難被發現。

在今天的科學發展下,基因突變與重組、環境的更迭每時每刻不曾停歇,萬事萬物都處於不斷的變化之中,同時,人們對自然的認識是逐漸加深且永無止境的,或許在不久的將來,這個記錄也會有被打破的一天。

致謝

感謝星加坡植物園何文釧博士和陳美君女士、華南植物園鄧雲飛博士提供部分圖片。

參考資料

  1. 李春華,李天純,李柯澄. 2015. 巨蘭繁殖與養護. 中國花卉園藝,22:25-27.
  2. Morales, F. A. & G. R. Chiron. 2018. The smallest orchid in the world is now a Lepanthes. Richardiana 2: 175-184.
  3. Chee, B. J. 2015. Know Thy Herb: The Tiger Orchid. Natural Bulletin 5: 3.
  4. Wing, Y. T., P. Ang, F. Tay & W. Soh. 2012. Conservation and Reintroduction of Native Orchids in the City in A Garden. CITYGREEN 4: 142-147.
  5. American Orchid Society—Grammatophyllum
  6. Holotype of Grammatophyllum speciosum Blume [family ORCHIDACEAE]
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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。

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