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突破全球的創新液晶調控術!?中山大學跨國研究獲刊國際頂尖期刊

PanSci_96
・2019/11/30 ・1395字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 562 ・九年級
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  • 圖/中山大學提供

液晶 (Liquid crystal) 在現代人們的生活中無所不見,從大型顯示器到個人隨身設備,包括汽車、辦公室、電腦到智慧型手機,其獨特的物理性質與光學特性,成為絕佳調控光電的材料。

國立中山大學光電工程學系特聘教授林宗賢、助理教授王俊達師生團隊,以及美國空軍研究實驗室首席科學家 Timothy J. Bunning、賓州州立大學電機工程學系教授 Iam Choon Khoo 合作,歷時兩年多,創全球先例,開發 Repetitively-Applied Field  (RAF) 技術。

RAF 技術能夠使藍相液晶從自然產生的立方晶格,重新轉換為新穎且穩定的非立方光子晶體

此成果獲刊國際頂尖期刊《Nature Materials》,且為光子晶體複雜的能隙控制開啟全新視野。

新興液晶的時代要來臨!?

林宗賢特聘教授指出,現今人們正開發具有更佳性能的液晶材料,而具有光子晶體 (Photonic crystals) 特性的新興液晶更有巨大的應用潛力。

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「光子晶體不僅能讓光轉彎,還能讓動物展現美麗色彩!」林宗賢特聘教授解釋,像是蝴蝶翅膀、孔雀羽毛及甲蟲顏色等,都是來自排列整齊的週期性奈米結構。

人造的光子晶體除了仿生的色彩多樣性外,也讓科學家開創出光積體電路、光子晶片、雷射等等應用領域,顯示出光子晶體的重要前景,「那是未來世界不可或缺的尖端科技」。

孔雀羽毛的美麗色彩,都是來自排列整齊的週期性奈米結構。Alexas_Fotos@Pixabay

王俊達教授指出,在顯示器應用上,液晶是一項控制光通過的技術,並不自發光。然而,當液晶形成光子晶體結構時,它的光子能隙能夠反射特定顏色的光,而如何準確地調控光子晶體的反射顏色則變得相當重要。

「過去我們只能選擇控制光子晶體中的特定顏色,例如紅色或黃色,而且不是穩態。」透過這項最新技術,未來光子晶體中的紅橙黃綠藍等顏色都能調控,而且在沒有電場作用下也是非常穩定的,「想讓它停在哪就停在哪」。

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RAF 如何突破目前技術?

研究團隊進一步說明,過去若要調控光子晶體的色彩,僅限能控制在奈米量級下,在實際應用上也遭遇相當大的阻礙,除了至少需要再提升到微米等級,對其施加電場也會產生許多不良影響,例如殘餘的折射率和無法被穩定的能隙控制等。

圖/中山大學提供

中山大學團隊成功開發的 RAF 技術,讓立方晶格逐步轉換為非立方,達到現有技術無法達到的結果,讓能隙控制變化量是過往研究的兩倍,同時可以使厚度提升將近 1000 倍的立方晶格藍相液晶,均勻轉換成非立方晶體,並可透過摻雜聚合物來穩定不同結構,實現較寬的工作溫度和亞毫秒級的快速響應。

團隊也針對不同狀態下的光子晶體做最佳化,顯示出重複施加場是調制非立方三維光子晶體藍相液晶通用的技術,讓量身訂製整個可見光範圍內的光子晶體更為容易實現,進而擴大藍相液晶應用於顯示、光積體電路、非線性光學、超快雷射及生物醫學等領域。

中山大學光電工程學系液晶實驗室研究團隊(右三為林宗賢,左三為王俊達)。
  • 本文改寫自中山大學新聞稿,原標題為〈開創最新液晶調控技術 中山大學跨國研究登頂尖期刊〉。
    論文:《Reconfiguration of three-dimensional liquid-crystalline photonic crystals by electrostriction
  • 此論文成果於 2019 年 10 月發表於《自然 – 材料科學》(Nature Materials)。
  • 本次研究團隊成員還包括中山光電系博士後研究員趙宏昌、美國賓州州立大學電機工程學系博士生陳君維、中山光電系博士生郭端毅、李承璋、馮渟懋及碩士生林耕賢。
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從「衛生紙」開始的環保行動:一起愛地球,從 i 開始
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/03 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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你是否也曾在抽衛生紙的瞬間,心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂?當最後一張衛生紙用完,內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己,事實上,使用木製品和紙張也能很永續!只要我們選對來源、支持永續木材,你的每一個購物決策,都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」:碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳,它們從空氣中吸收二氧化碳,並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐,切成木材或搗成紙漿,用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後,無論是被燃燒還是自然分解,都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中,這些釋出的二氧化碳,來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳,因此並不會增加大氣中的碳總量。

只要我們持續種植新樹,碳循環就能不斷延續,二氧化碳在不同型態間流轉,而不會大量增加溫室氣體在大氣中的總量。因為具備循環再生的特性,讓木材成為相對環保的資源。

但,為了木製品而砍伐森林,真的沒問題嗎?當然會有問題!

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從吸碳到固碳的循環

砍對樹,很重要

實際上,有不少木材來自於樹木豐富的熱帶雨林。然而,熱帶雨林是無數動植物的棲息地,它們承載著地球豐富的生物多樣性。當這些森林被非法砍伐,不僅生態系統遭到破壞,還有一個嚴重的問題–黃碳,也就是那些大量儲存在落葉與土壤有機質中的碳,會因為上方森林的消失重新將碳釋放進大氣之中。這些原本是森林的土地,將從固碳變成排碳大戶。

不論是黃碳問題,還是要確保雨林珍貴的生物多樣性不被影響,經營得當的人工永續林,能將對環境的影響降到最低,是紙漿和木材的理想來源。永續林的經營者通常需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。木材反覆在同一片土地上生成,因此不用再砍伐更多的原始林。在這樣的循環經營下,我們才能不必冒著破壞原始林的風險,繼續享用木製品。

人工永續林的經營者需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。

如何確保你手中的紙張來自永續林?

如果你擔心自己無意中購買了對環境不友善的商品,而不敢下手,只要認明FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。並且從森林到工廠、再到產品,流程都能被追蹤,為你把關每一張紙的生產過程合乎永續。

只要認明 FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。

家樂福「從 i 開始」:環境友善購物新選擇

不僅是紙張,家樂福自有品牌的產品都已經通過了環保認證,幫助消費者在日常生活中輕鬆實踐環保。選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌,這代表商品在生產過程中已經符合多項國際認證永續發展標準。

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「從 i 開始」涵蓋十大環保行動,從營養飲食、無添加物、有機產品,到生態農業、動物福利、永續漁業、減少塑料與森林保育,讓你每一項購物選擇都能與環境保護密切相關。無論是買菜、買肉,還是日常生活用品,都能透過簡單的選擇,為地球盡一份力。

選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌
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「牠」比人類更懂團隊合作?生存 3000 萬年的選址專家,蜜蜂用搖擺舞選擇完美家園——《跟達爾文學投資》
今周刊出版
・2024/12/07 ・2733字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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搖擺舞的祕密:蜜蜂如何用舞步傳遞築巢地點?

蜜蜂已經存續 3000 萬年。牠們經歷了多個冰河時代、數以千計的環境災難、大大小小源源不斷的掠食者,以及地球歷史上最具破壞性生物的到來:人類。

蜜蜂一生中最重要的決定,就是選擇牠們的家。我稱之為「決定」,因為這就是個決定:這似乎遵循一個過程,可能需要數小時甚至數天,而蜂群中的每隻蜜蜂似乎都有發言權。不同於進食、交配或戰鬥,對蜜蜂來說,選擇一個家,似乎是一個刻意又「深思熟慮」的過程。

蜜蜂是高度社會性的生物,生活在數以千計的蜂群中,彼此之間距離非常靠近。蜂巢裡通常有一個由工蜂餵養和保護的女王蜂,這些工蜂全都是不育的雌蜂 。一個蜂群通常在冬季結束時分裂成幾個蜂群(swarm)。每一個蜂群都需要找到一個新家來建造蜂巢,扶養工蜂幼蟲,並為下一個冬天建造儲藏蜂蜜的蜂房。

因此,當蜜蜂創造一個新的蜂群時,牠們最重要的任務是找到合適的築巢地點以建立蜂巢。牠們的家需要一個空腔體積,來容納足夠的蜂蜜以度過整個冬天。此外,入口需要離地面夠高,以防止地面上的掠食者瞄準蜜蜂。入口也應該很小,以確保隱蔽性和溫暖,以便蜂巢免受極端強風等惡劣天氣因素的影響。

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那麼,蜜蜂如何選擇建蜂巢的地方?牠們會跳舞。

假設各位決定研究蜜蜂如何選擇築巢地點,那麼將會觀察到這樣的情形。當來自母蜂群的蜜蜂分裂成一小群時,幾十名偵察員會朝向不同的方向飛去,查看方圓5公里內適合的築巢地點。當偵察員遇到一個吸引牠的地點時,牠會回到蜂群並表演搖擺舞,向姊妹們傳達該地點的距離、方向和品質(雄蜂是懶惰鬼,牠們不做任何事;牠們唯一的工作就是使女王受孕)。舞蹈的持續時間與到新地點的距離成正比,蜜蜂搖擺的角度代表牠們相對於太陽向外飛行的角度,搖擺的強度(舞蹈次數)表示新地點的品質。

由於偵察兵已經飛越了一大片區域,所以牠們會向蜂巢夥伴宣傳許多相距甚遠的地點。蜂群中的蜜蜂跟隨各種偵察員的腳步,檢查廣泛分散的地點,然後返回蜂群進行搖擺舞。

因此一開始,偵察員會宣傳幾個可能的築巢地點,似乎試圖將牠們的同伴招募到每個選定的地點,這看起來是一個相當混亂的場景。然而,幾個小時或幾天後,所有蜜蜂都開始跳舞,只支持一個地點。一旦達成共識,蜂群就會飛到選定的位置。但是,其實蜂群是沒有領袖的(女王蜂只是一部繁殖機器,完全依賴工蜂提供食物和福利)。因此,我們會得出一個(正確的)結論,築巢地點的選擇是由所有蜜蜂參與的民主過程完成的。

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一旦觀察到這種現象,各位可能會問以下一些問題:這種幾乎百分之百共識的民主過程,是如何運作的?

Close-up of one Bee on a sunflower

從混亂到共識:蜂群如何民主選擇完美地點

正如我之前提到的,蜜蜂需要選擇一個高品質的地點來確保牠們的生存。但不明顯的是,如果牠們可以有多個高品質的地點供選擇,牠們幾乎總會選出一個最好的地點。這些挑剔的蜜蜂不會接受「夠好」的選項。當科學家在蜜蜂的飛行範圍內,人為創造一些良好的築巢地點時,他們發現蜜蜂幾乎總是聚集在最好的地點。更令人驚訝的是,蜜蜂很少先找到最佳築巢地點;但一段時間過後,即使蜜蜂發現最佳地點的時間比其他稍差的地點晚得多,最終還是會達成共識選擇最佳地點。

研究人員已經證明,蜜蜂在評估築巢地點的品質方面有著絕對的標準。牠們搖擺舞的活力轉化為跳舞的次數,代表特定場地的品質。蜜蜂需要 15 分鐘到 1 小時來評估一個潛在的地點。牠會檢查空腔的外部,並花很多時間在裡面四處走動和短途飛行。如果蜜蜂在第一次檢查時發現築巢地點很理想,就會回到蜂群中,用搖擺舞來宣傳該地點。如果另一隻蜜蜂跟著牠來到這個地方,當這隻蜜蜂回到蜂群時,她會跳(持續時間和強度)幾乎完全相同的搖擺舞。蜜蜂有一個評估巢穴品質的通用標準。

所有蜜蜂在選擇築巢地點時,都有一致的興趣。牠們的共識是經過一段時間才建立的,因此,最後所有蜜蜂都只支持一個地點,而這幾乎總是最好的地點。但是,共識是如何達成的?

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最初,科學家們假設蜜蜂偵察員將舊巢的地點與新地點(其他跳舞的偵察員把牠找來新地點)進行比較。如果她發現新地點的品質比較高,就會不再支持舊的地點,並更積極地跳舞以表示對新地點的肯定,但事實證明這是錯的。大多數蜜蜂只會前往一個築巢地點,很少有蜜蜂會前往 2 個以上的地點。

Close up view of the working bees on honey cells

湯瑪斯.西利(Thomas Seeley)和其他人的艱苦研究揭示了建立共識過程背後的奧祕,只有兩個要素。首先,正如我們已經知道的,蜜蜂會為了一個品質更好的地點而跳更多舞;第二,蜂群中的蜜蜂會隨機跟著在跳舞的蜜蜂,以探索新的地點。

但是,這兩個簡單的行動如何導致對最佳地點近乎百分之百的共識?

簡單卻高效:蜜蜂如何以數學模型找到最佳家園

假設有3名偵察員,牠們評估 3 個可能的新築巢地點— A、B 和 C —品質各不相同。假設地點 A 是最好的,地點 C 是最差的。在評估了地點 A 之後,第一個偵察員返回蜂群並跳了 20 次舞。第二個偵察員評估地點 B 並跳了 10 次舞。最後,第三名偵察員在評估地點 C 後,只跳了 5 次。

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讓我們假設蜂群中有 100 隻蜜蜂在等待牠們的偵察姊妹回來。請記住,牠們會隨機跟隨任何一隻跳舞的蜜蜂,然後去探索令這隻蜜蜂興奮的地方。由於第一隻蜜蜂的舞蹈占了 57%(20 ÷ 35),因此蜂群中的 100 隻蜜蜂有 57 隻會跟著第一隻蜜蜂。按照同樣的邏輯,29 隻蜜蜂會去評估地點 B,只有 14 隻蜜蜂會評估地點C。當這 100 隻蜜蜂回到蜂群時,會發生什麼事?

來自地點 A 的 57 隻蜜蜂每隻跳 20 支舞=1140 支舞

來自地點 B 的 29 隻蜜蜂每隻跳10支舞=290 支舞

來自地點 C 的 14 隻蜜蜂每隻跳 5 支舞=70 支舞

因此,地點 A 現在貢獻了蜜蜂表演的舞蹈循環總數的 76%(1140÷1500),而第一輪為 57%。在下一輪中,蜜蜂隨機跟著任何一隻跳舞的姊妹。因此 76% 的等待蜜蜂會去探索地點 A。

如果這個過程繼續下去,就會發現對最佳地點 A 的應援將繼續暴增—在第三輪中,按照同樣的邏輯,對地點 A 的支持度將增加到 88% —直到幾乎所有蜜蜂都只支持地點 A 為止。

各位是否像我第一次讀到這個過程時一樣感到目瞪口呆?大家了解這是什麼情況嗎?蜜蜂要做出一個非常複雜且充滿挑戰的決定。但牠們卻利用一個非常簡單的過程:為一個更好的地點而更加努力地跳舞,並隨機跟著一隻跳舞的姊妹。就是這樣

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從鋼板到負壓系統:骨折治療的新時代讓復原更輕鬆!
careonline_96
・2024/12/06 ・2398字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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圖/照護線上

「骨科手術的傷口很怕感染,如果感染無法控制,便得將植入物、人工關節移除,然後需要長時間的換藥,等到感染改善後再想辦法關閉傷口,往往需要3至6個月以上。」臺北醫學大學附設醫院骨科部運動醫學科主任呂憲宗醫師指出,「為了降低傷口併發症的風險,可以多管齊下,包括把血糖控制穩定、避免手術低體溫、使用手術後負壓傷口照護系統等,讓傷口順利癒合,能夠減輕患者與家屬的壓力,也能避免許多衍生的醫療花費。」

車禍、跌倒都可能造成骨折,車禍常造成脛骨、股骨、脊椎骨折;跌倒時因為會用手撐地,常造成手腕骨折;老人家在滑倒時容易出現髖部骨折。呂憲宗醫師解釋,如果在受傷時骨頭沒有跟外界環境接觸,稱為閉鎖性骨折;如果在受傷時骨頭有跟外界環境接觸,稱為開放性骨折。

隨著鋼板、鋼釘等醫材的進步,骨折的治療觀念逐漸改變。呂憲宗醫師指出,若狀況許可時,現在會傾向用鋼板、鋼釘進行固定,讓患者能早點活動。

因為如果採用打石膏的保守治療,患者可能要固定 4 至 8 週等待骨頭癒合。呂憲宗醫師說,如果動手術固定,能夠顯著縮短復原的時間。

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接受手術治療後,便要好好地照顧傷口。無論是創傷造成的傷口,或是動手術造成的傷口,都得留意傷口併發症的發生。呂憲宗醫師說,常見的傷口併發症包括腫脹、疼痛、感染、壞死、崩裂等。傷口併發症可能導致住院天數增加、醫療花費增加。

傷口併發症有關的危險因子
圖/照護線上

與傷口併發症有關的危險因子很多,有些是與患者相關,有些是與手術相關。呂憲宗醫師說,患者相關的危險因子包括糖尿病、高血壓、肥胖、高齡、慢性腎病、慢性肺病、抽菸等;手術相關的危險因子包括緊急手術、二次手術、軟組織受損、汙染性傷口、高張力傷口、手術低體溫、手術時間長等。

為了減少傷口併發症,醫師會針對各種傷口併發症的成因擬定各種對策,包括把血糖控制穩定、採用個人專用熱空氣式保溫毯避免手術低體溫、使用手術後負壓傷口照護系統幫助傷口癒合與保護並控制傷口併發症等。

由於傷口中常會鬱積組織液,鬱積的組織液會增加傷口感染的風險。呂憲宗醫師說,手術後負壓傷口照護系統是在台灣是相對較新的技術,它是在傷口外覆蓋特殊海綿敷料,再以防水的薄膜固定,然後接上持續抽吸的主機。手術後負壓傷口照護系統能夠維持負壓,幫助移除滲液與感染物質,進而降低傷口感染的風險。

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傷口併發症的成因與對策
圖/照護線上

相較於使用紗布覆蓋傷口,手術後負壓傷口照護系統能夠帶給患者幾項好處。呂憲宗醫師說,因為具有防水薄膜,能夠避免傷口碰到水,讓患者、家屬較好照顧,而且可以連續保護手術傷口5至7天,減少換藥頻率與不適。

手術後負壓傷口照護系統能夠移除多餘的滲液,預防切口旁皮膚浸潤、並降低傷口感染的機會。亦能幫助拉近縫合傷口,減少傷口側邊張力,並可增加附近微血管的血流量,刺激肉芽組織生長。

「骨折的傷口若發生感染,可能演變成骨髓炎,就會相當棘手。」呂憲宗醫師說,「從臨床經驗看來,手術後負壓傷口照護系統能夠讓患者早一點出院、減輕傷口照護的負擔、降低感染的風險,帶給患者很多幫助。」在現今醫療人力不足的情況下,使用手術後負壓傷口照護系統可以讓患者傷口得到更好的照護成效及先進的醫療品質。

負壓傷口照護系統幫助減少傷口併發症
圖/照護線上

筆記重點整理

一、 隨著鋼板、鋼釘等醫材的進步,骨折的治療觀念逐漸改變。若狀況許可時,現在會傾向用鋼板、鋼釘進行固定,讓患者能早點活動。如果採用打石膏的保守治療,患者可能要固定 4 至 8 週等待骨頭癒合。如果動手術固定,能夠顯著縮短復原的時間。

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二、 接受手術後,要留意傷口併發症。常見的傷口併發症包括腫脹、疼痛、感染、壞死、崩裂等。傷口併發症可能導致住院天數增加、醫療花費增加。

三、 為了減少傷口併發症,醫師會針對各種傷口併發症的成因擬定各種對策,包括把血糖控制穩定、避免手術低體溫、使用手術後負壓傷口照護系統等。

四、 相較於使用紗布覆蓋傷口,手術後負壓傷口照護系統能夠帶給患者幾項好處。因為具有防水薄膜,能夠避免傷口碰到水,讓患者、家屬較好照顧,而且可以連續保護手術傷口5至7天,減少換藥頻率與不適,讓患者傷口得到更好的照護成效及醫療品質。

五、 手術後負壓傷口照護系統能夠移除多餘的滲液,預防切口旁皮膚浸潤、並降低傷口感染的機會。亦能幫助拉近縫合傷口,減少傷口側邊張力,並可增加附近微血管的血流量,刺激肉芽組織生長。

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