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拯救地球暖化大作戰!英國如何利用「碳定價」翻身成為減碳國家先鋒?

Curious曉白_96
・2020/03/16 ・3487字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 599 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

18 世紀,英國是全球第一個發起工業革命的國家,由於大量使用煤炭,工廠煙囪排放的濃煙密布整個城市,天空不再湛藍,而是灰黑色,因此得名「霧都」、「黑城」。在此之後,隨著人類文明越趨發達,地球的健康狀況也一點一滴步入危機,臭氧層破洞、冰河消融、海平面上升、氣候異常等全球暖化跡象,開始受到各國關注。

聯合國政府氣候變遷專門委員會 (IPCC) 於 2018 年提出警告:地球剩下不到 12 年的時間來減少溫室氣體排放,避免災難性的全球暖化。

2015 年聯合國氣候峰會通過《巴黎協議》,訂定目標:「把全球平均氣溫升幅控制在工業革命前水準以上低於 2 ℃ 之內,並努力將氣溫升幅限制在工業化前水準以上 1.5 ℃ 之內」,協議第 6 條也提及:「可透過『市場機制』幫助各國達成減碳目標。」因此許多國家開始實行「碳定價」及「碳稅」,而其中最有成效、脫穎而出的則是英國的碳定價。

英國政府是如何做到這件事的呢 ?泛科學特別專訪英國碳定價專家,同時也是氣候變化與環境研究所的政策研究員 Josh Burke 來跟大家聊聊關於「碳定價」這回事!

因應全球暖化,各國紛紛發起減少碳排放的措施。圖\GIPHY

碳定價是什麼?

正如商場中擺放的商品都會制定一個價格,「碳定價」即「給碳一個價格」。而當碳有了標價,也隨之產生了幾種需要討論的議題。

其交易對象是誰呢?

正是二氧化碳廢氣的排放源,政府、企業或家庭,向他們收取費用,來達到減少碳排放、抑制全球暖化的目的。

如何收取費用?

碳定價又分為兩大體系,碳排放交易體系 (Emissions Trading System, ETS) 及碳稅 (Carbon Tax),這兩者有什麼差別呢?

  • 碳排放交易體系 (Emissions Trading System, ETS):也就是為碳排放量設定一個上限。依據供需法則,越稀有的商品(如鑽石、黃金),價格就越高,同理,碳排放量一旦受到限制,價格便會上漲(也就是將可以使用碳的權利,亦即「碳權」,變成一個稀有商品)。如此一來,對於碳排放有高需求的店家,就必須向相對較低需求的店家購買「碳權」,若要節省這樣的成本,則會進一步想辦法發展出低碳排放的商品,來達到限制的效果。
  • 碳稅 (Carbon Tax):相較於複雜的交易體系,碳稅較為單純,就是依據不同的碳含量來課稅,但是碳稅相較於 ETS ,就比較沒有碳排放總量的限制,所以成效上還是會有點落差。

提問:《自然》雜誌最近發表的一篇文章探討了公眾抵制碳稅的多種原因,提到人們認為低收入家庭的碳稅比例並不合理。碳稅是否會對低收入戶家庭的經濟狀況造成負面影響?

英國碳定價專家 Josh Burke 表示,若政策設計正確,碳稅不一定會對低收入戶產生負面影響。

將碳價納入市場交易,透過供需法則限制碳的使用量及排放量。圖\pixabay

工業強國大翻身-英國如何成功施行「碳定價」

因為每個國家不同的市場特性,加上商人、企業普遍不願接受再多收錢,各國對於碳定價機制的接受度並不相同。那麼英國,一個靠工業起家的大國,是如何卸下商業束縛,搖身變成一個低碳排放的國家呢?以下這幾點值得關注並學習。

政府積極制定政策

要達成減碳,必定要先設立目標,英國氣候變遷委員會 (Committee on Climate Change, CCC) 表示,英國必須於 2050 年實現「淨零」排放(意思是碳排放量不再增加大氣中的二氧化碳含量,簡單來說,如果想排放碳,就要想辦法回收大氣中的碳,而且回收量 = 碳排放量,使其達到平衡),而政府需要改革其碳定價方法。以下是英國政府的改革方案:

  • 政策所制定的碳價需高於目前價格的「中等水平」:影子價格代表生產或消費不在一般市場中的財貨之機會成本,應用於成本效益分析中,也應用於對計畫經濟的數學規劃。要實現淨零目標,政府需要制定比英國商業、能源與工業戰略部 (BEIS) 當前的預測更高的影子價格。
政策所制定的碳價須高於商業、能源與工業戰略部 (BEIS) 當前的預測價格。圖\GRI-POLICY-BRIEF_How-to-price-carbon-to-reach-net-zero-emissions-in-the-UK
  • 碳價格的分級制度:為了政策可行性,碳排放者所需支付的碳價格必須低於影子價格,並且依照不同行業環境做出相對應措施,按行業區分碳價。英國自 2020 年起的碳價為每噸二氧化碳 40 英鎊左右,到了 2050 年將升至每噸二氧化碳 125 英鎊甚至更高。
英國政府依據各產業使用碳的重要性及可行性,訂定不同的價格分級。圖\GIPHY

提問:依賴煤炭產業的業者,是否反對推行淨零排放政策?

英國碳定價專家 Josh Burke 充滿自信回答:「沒有!」因為業者們也認為永續經營才能獲取最大效益,他們同樣意識到了煤炭資源總有一天會被開採耗盡,遲早需要新的替代能源來取代煤炭,所以他們也認同政府的作法。

  • 負排放激勵措施:為了確保完全去碳,政府須制訂關於技術支持和負排放激勵措施(從大氣中清除殘留的二氧化碳)等法規。對於實施負排放技術的企業,政府將予以補助該企業原需支付的碳價做為獎勵金。

提問:負排放技術 (如 CCS、種樹等) 主要目的是移除大氣中的溫室氣體。政策鼓勵企業推行負排放,但也有專家認為,例如「種樹」會因種植環境等變因,而無法達到預期的負排放效能。請問您對於這類爭議有什麼看法?

對此 Josh Burke 表示,種樹並無法有效達到負排放的效益,通常會把重心放在碳價及其他有效的負排放技術上。

提問:推行淨零溫室氣體排放政策過程中,遇過最大的瓶頸是什麼?

「並非英國國內的所有產業都能夠完全配合政策,如部分企業由於經濟效益,沒辦法落實減碳;另一方面是個人因素,每個人的環保意識都有差異。」Josh Burke 認為,政府可以成立推行該政策的專業部門,跟民間溝通以達成共識。

達成政府、人民與企業間的共識

一項新政策的施行,常常會因為訊息為傳達不完全,而造成人民陷入未知的恐慌。因此 Josh Burke 致力於協助政策制定者、政府官員、專家、學術界、非政府組織、議會和企業進行溝通與意見交流,使政策制定更加完整。此外,英國在野黨與執政黨也達成共識,一同推行淨零政策,並加強民間宣導,讓人民能更理解政策的細部內容。

再生能源可望成為英國往後的主要發電能源

2019 年,是英國自 1882 年以來第一次連續兩週沒有燃煤發電。英國國家電力供應公司發言人表示:「隨著越來越多再生能源被引進我們的能源系統,像這樣的週末供電模式將成為新常態。預計 2025 年,英國將可以零排碳運轉電力系統。」未來英國主要的電力來源將放在風力及核能發電。

提問:您認為最具潛力的再生能源是哪一種?

「就英國而言,由於面海,因此有足夠的風力可以發電。不過再生能源的選擇還是取決於不同國家的地理環境,各地適用的再生能源皆不同。」 Josh Burke 回答。

雖然現階段還不能完全取代火力發電,但面臨地球資源枯竭的未來,再生能源的發展潛能極高。圖\GIPHY

全球暖化議題是各國都需要面對的危機,英國的淨零排放政策是一個好榜樣,藉由市場的交易機制,讓人們在消費的同時意識到背後隱藏的問題,促進消費者購買低碳商品。現在,我國環保署也積極與 Josh Burke 探討關於碳稅的政策可行性,曾經的「霧都」英國都能做到有效減碳,且大大提升當地空氣品質,相信我們也能找到一條屬於自己的作戰路線!

參考資料

  1. 英國制定能源政策,2025年擺脫燃煤發電,2050年達到溫室氣體淨零排放目標
  2. How to price carbon to reach net-zero emissions in the UK – Grantham Research Institute on climate change and the environment
  3. 英國2050年淨零排放目標對臺英合作的啟示APEC能源國際合作資訊網
  4. 負排放技術是應付氣候危機的雙面刃?
  5. Negative emissions under a net zero target: navigating the controversies and pitfalls – Grantham Research Institute on climate change and the environment
  6. Explainer: 10 ways ‘negative emissions’ could slow climate change
  7. 氣候變遷委員會(CCC):到2050年英國應達淨零排放| 新聞News
  8. How Britain ended its coal addiction
  9. Josh Burke – Grantham Research Institute on climate change and the environment
  10. How to win public support for a global carbon tax
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!

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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

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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2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球
PanSci_96
・2022/12/30 ・2786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。

接續上篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡

看過 2022 年十大科學突破的前五項後,你是否迫不及待想知道另外五項呢?讓我們繼續看下去吧!

多發性硬化症的元兇:EBV 病毒

多發性硬化症(Multiple sclerosis)是一種中樞神經系統疾病,初期症狀只有視力模糊、手腳麻木、走路不穩等,到了後期便逐漸讓病患喪失視力、無法說話和行走。

長久以來,科學家懷疑多發性硬化症的元兇是「人類疱疹病毒第四型病毒」(EBV)。這種病毒主要透過唾液傳播,幾乎每個人一生中都會感染到,然後病毒會潛伏在白血球中。雖然患者大多都有 EBV 抗體,但 95% 的健康成年人也有,難以作為判定依據。

然而,今年 1 月刊載在《Science》的研究指出,感染 EBV 將導致罹患多發性硬化症的風險增加 32 倍。另一篇《Science》研究也發現潛伏在白血球中的病毒可能會「甦醒」,而病毒的其中一種蛋白質,會誘使免疫系統攻擊中樞神經細胞。

這些新發現給了科學家開發疫苗的方向。目前,有一種 EBV 疫苗正在進行臨床試驗,要是數據顯示疫苗有效,那麼在未來,多發性硬化症或許就能像小兒麻痺一樣,從此絕跡。

新研究確定了 EBV 病毒(藍色)與多發性硬化症的關聯。圖/Science

美國簽署《降低通膨法案》,搶救發燒的地球

今年 2 月,聯合國 IPCC 第六次評估報告指出,若是全球平均升溫超過 1.5°C,各地都將出現多種極端氣候災害,部分地區也將不再適合人類居住。

8 月,美國總統拜登(Joe Biden)簽署了《降低通膨法案》(Inflation Reduction Act),試圖從綠能、醫療、稅收等三大面向解決通貨膨脹的問題,同時減少溫室氣體排放,堪稱美國史上最重要的氣候法案。

身為全球第二的溫室氣體排放國,美國將在未來 10 年撥出 3690 億美元,投入綠能、電動車、核能發電等產業,目標是在 10 年後(2032 年)將溫室氣體排放量降低到 2005 年的 40%。

目前,全球平均升溫(相較於工業革命前)來到 1.2°C,而且今年的溫室氣體排放量仍持續上升,沒有下降趨勢。許多氣候科學家都認為升溫幅度必然超過《巴黎協定》規範的 1.5°C 上限,因此我們都需要盡快採取更多行動保護地球。

《降低通膨法案》將補貼太陽能在內的綠能產業。圖/Science

逃過黑死病的方法,竟然是遺傳?

700 年前,橫行歐洲的黑死病殺死了 1/3 到 1/2 的人口。關於那些倖存者,科學家好奇了很久,想知道他們當初是如何逃過一劫,以及黑死病究竟帶來了什麼影響。

今年 10 月, ㄧ篇《Science》的研究顯示倖存者體內可能有基因變異,提升他們對鼠疫桿菌(Yersinia pestis)的免疫反應。團隊分析了 500 多具遺骨中的古代 DNA,發現在英國倫敦爆發黑死病後,倖存者體內有 245 處的基因都有出現變異。

在這些 DNA 裡,內質網胺肽酶 2(ERAP2)引起了科學家的注意。這種蛋白酶有兩種變體:一種是完整尺寸,另一種較短,但都可以幫助免疫細胞識別、對抗病毒。科學家發現,遺傳完整尺寸 ERAP2 的人類存活機率是 2 倍,因為他們能夠生成更多細胞激素,協助免疫系統對抗鼠疫桿菌。

如今,約有 45% 的英國人體內還存有完整尺寸的 ERAP2 變體,但代價就是 ERAP2 也會增加罹患克羅恩病(Crohn’s disease)和類風濕性關節炎等自體免疫性疾病的風險。

從 14 世紀英國倫敦的遺骨中採集 DNA 並紀錄變化。圖/Science

碰!NASA 撞歪小行星!

多年來,NASA 持續監測直徑超過 0.5 公里的近地小行星,並且透過「雙小行星重定向測試計劃」(DART)研究多種讓小行星偏離軌道的方法。

今年 9 月,NASA 讓 DART 飛行器以 22,530 公里的時速撞擊小行星 Dimorphos,讓 Dimorphos 更靠近它繞行的另一顆小行星 Didymos,縮短了 32 分鐘的公轉週期,比 NASA 原先設定的目標還要高出 26 倍。

目前為止,天文學家估計軌道與地球軌道相交的近地小行星有 25,000 顆,大小都足以摧毀一座大城市。雖然行星防禦系統(Planetary Defense)尚未建構出完整情報,但針對人類首次改變天體運行的壯舉,NASA 署長表示「這是行星防禦任務的分水嶺,也是人類文明的分水嶺」,有助於降低小行星或隕石撞到地球的機率。

寬達 160 公尺的小行星 Dimorphos。圖/Science

從永凍土提取環境 DNA,重建古代生態系統

以往普遍認為 DNA 的保質期約為 100 萬年,但在今年 12 月,科學家從北極寒漠的永凍土中,提取了 200 萬年前殘留至今的環境 DNA 片段。透過分析這些片段,科學家還原了格陵蘭東北部皮里地(Peary Land)約 200 萬年前生態系統的樣貌。

英國劍橋大學研究顯示,在 200 萬至 300 萬年前,皮里地的平均氣溫比現在高 11℃ 至 19℃。從 5 處沉積層中提取的 41 個 DNA 片段,證實了當時有楊樹、樺樹、崖柏和各種針葉樹,也有野兔旅鼠、馴鹿、囓齒動物,以及 1 萬年前滅絕的大象近親——乳齒象。過去從來沒有科學家料到乳齒象的活動範圍竟然延伸到那麼遠的北方。

可惜的是,因為缺少脊椎動物的化石,目前還不清楚確切的生物群落組成,但這項研究證明了利用環境 DNA 追溯 200 萬年前的古生物是可行的,而這也有助於科學家進一步探討生物和環境的演化。

環境 DNA 揭示了 200 萬年前格陵蘭的生態。圖/Science
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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

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