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頂尖對決:石墨烯 vs. 石墨炔

NanoScience
・2012/06/08 ・864字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

根據德國科學家的理論模擬計算,神奇材料石墨烯(graphene)即將棋逢對手─石墨炔(graphyne)。石墨炔為石墨烯的同素異構物,兩者皆為單原子厚的平面碳材料,不同的是,石墨烯為蜂巢晶格(honeycomb lattice)結構,而石墨炔則能具有數種不同的二維結構。

石墨烯優異的電子特性源自於獨特的能帶結構,其傳導帶與共價帶在低能處呈現兩個名為迪拉克錐(Dirac cone)的對稱錐形,並在費米能階(the Fermi level)上以線性相交於一點,因此傳導載子的等效動能直接正比其動量。這種不尋常的動能—動量關係原先僅見於無靜止質量的光子中,非相對論性運動下的電子和其他物質粒子的動能則是與動量平方成正比。換言之,石墨烯中的電子行為類似無靜止質量的相對論性粒子,能以極高的速度在材料內運動,因此可以用來製作超快電晶體。

過去研究人員認為迪拉克錐僅存在於呈蜂巢晶格結構的石墨烯中,但最近 Erlangen-Nürnberg 大學的 Andreas Gorling 以密度泛函理論(density functional theory)計算發現,名為石墨炔的新材料亦擁有這種能帶特徵。

不同於石墨烯的雙鍵結構,石墨炔中的碳有雙鍵及三鍵,因此能形成六角晶格之外的幾何結構。 Gorling 等人利用密度泛函理論計算三種石墨炔的結構,分別是 α-graphene、β-graphene 以及 6,6,12-graphyne,前兩者具有六角結構,後者則為矩形晶格,結果發現三種石墨炔皆擁有迪拉克錐。

上圖依序為 (a) graphene (b) α-graphyne (c) β-graphyne (d) 6,6,12-graphyne。圖片來源:nanotechweb.org

Gorling 表示,6,6,12-graphyne 的特性甚至可能優於石墨烯,原因是有別於石墨烯的等向性(isotropic),矩形對稱性使得電子性質與方向有關,例如導電值會受電流方向影響,未來有機會應用於奈米電子元件上。再者,石墨炔在費米能上下附近具有兩個不同的迪拉克錐,這表示石墨炔為「自我摻雜」(self-doped),天生就具有電荷載子,不像石墨烯需要額外摻雜,因此能做為製作電子元件所需的半導體材料用。

目前石墨炔的樣品數目極少,因此研究人員希望此理論計算結果可以激發更多科學家製作石墨炔樣本並實際測量。詳見 Phys. Rev. Lett. 108, 086804 (2012)。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Could graphynes be better than graphene? —nanotechweb.org [2012-03-01]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-04-29]

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NanoScience
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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