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好奇心讓你登上《科學》封面!泡泡為什麼會破,把它放顛倒再戳破就知道了

linjunJR_96
・2020/09/21 ・1895字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

圖/OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

在火山口的岩漿中、在玻璃工廠的熔爐中,也在居家裝潢的油漆桶中。液體表面的泡泡隨處可見,如果以上都沒見過(編按:到底有多少人會親眼看過火山岩漿啦!)那總該玩過吹泡泡遊戲吧,那你有想過為什麼泡泡會破掉嗎?

泡泡會塌陷過去以為是重力,最新研究發現是表面張力

過去科學家認為,泡泡會塌陷主要因素是「重力」,但最新一期《科學》(Science)期刊上有篇研究指出,我們多年來對這些現象的解釋其實並不正確,其實「表面張力」才是主要原因。

當水面的泡泡破裂,泡泡薄膜的形狀還來不及有任何改變,便已經被兇猛的表面張力拉回水面下,整個過程只需幾毫秒。不過濃稠(黏滯係數高)的泡泡可不一樣,光是破裂可以花費整整 1 秒鐘,過程中還出現奇特的皺褶。

黏性泡泡破裂過程。圖/OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

上方動畫中濃稠泡泡是用矽油吹製,其黏滯係數是水的一百萬倍。當泡泡上方被刺破,整顆泡泡像是洩了氣一樣向下塌陷,而破洞的大小卻幾乎維持不變。這項觀察讓過去的物理學家認為,主宰塌陷過程的是向下的地球重力。

把泡泡倒過來,發現塌陷速度沒有比正著放還慢

不過這個結論讓波士頓大學的工程學家詹姆士柏德(James Bird)十分不滿意。為什麼重力只對黏稠的液體才算重要呢?然而用理論打嘴砲誰都會,要在實驗上做出結果來才算數。為此,他設計出了絕妙的驗證方法:把重力倒過來。

矽油的黏稠度夠高,讓實驗團隊能夠把整個容器倒過來,並進行同樣的戳泡泡實驗。如果泡泡塌陷真的是因為被重力向下拉,那麼將重力方向倒過來應該會讓泡泡塌陷的較慢。

可是錄影結果和原本泡泡破裂的過程十分相似:頂端的破洞慢慢打開,泡泡快速向液體表面塌陷。接著,實驗團隊還讓裝置轉了90度,讓重力向泡泡的側邊拉。不論重力指向哪個方向,影像分析的結果都沒有顯著的差異,這表示主宰塌陷過程的並非重力。

A. T. Oratis et al., Science 369, 685 (2020)

原版的重力向下實驗在 20 幾年前就有人做過。「那時候會認為重力是主因其實也情有可原,因為泡泡薄膜被戳破時看起來就像是在下落。」論文的共同作者亞歷山卓奧拉蒂斯(Alexandros Oratis)說道。不過進一步的計算顯示,對一顆直徑 1 公分的泡泡來說,作用在薄膜上的表面張力比重力大了幾十倍,而他們的實驗也證實了這個結果。

泡泡塌陷的皺褶怎麼來的?其實是諸多力量較勁結果

表面張力顧名思義,就是隨時想要讓液體表面繃緊;也就是說,讓液體表面盡量保持在平整的狀態。當泡泡在液體表面形成,表面張力想要將凸起的泡泡薄膜向下拉,這時泡泡內外的氣壓差便負責平衡這股向下的力。如果我們戳破泡泡,造成內外的氣壓相同,泡泡薄膜便向下塌陷。

不過如果表面張力這麼強大,那麼泡泡塌陷的後期為什麼會出現這些皺褶呢?

當壓縮力夠大,凌駕想把液面拉平的表面張力,就會出現表面皺褶。圖/A. T. Oratis et al., Science 369, 685 (2020)

比起完好的半球狀泡泡,破掉的扁塌泡泡表面積較小。當表面張力快速的將破掉的薄膜往下拉,接近周圍的薄膜受到強烈的壓縮力。如果壓縮力夠大,凌駕了想要把液面拉平的表面張力,便會出現表面的皺褶。小小的泡泡能展現出這麼美麗的物理現象,原來是背後諸多力量相互較勁的綜合結果。

OLIVER MCRAE/BOSTON UNIVERSITY

這份研究用「顛覆性」的實驗方法,打破了舊有的認知,登上了《科學》期刊的封面。再度顯示科學家最重要的維生工具不是紙筆或試管,而是源源不絕的好奇心與想像力。

參考資料

  • 責任編輯:YP
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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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大科學人專訪|YouTuber 胡子 Huzi :科學定理不只存在課本裡,在日常中活出科學的道理
LIS_96
・2022/12/31 ・3096字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

他是胡子 Huzi,是台灣少數以實驗型內容為主的 YouTube 創作者,更被網友戲稱爆炸系創作者,也許你會很意外,這位胡搞小子在成為百萬訂閱 Youtuber 之前曾經是一位老師!

家裡開補習班、大學成績恰恰落在師範、教育大學的胡子,走向教職似乎是老天爺為好人為師的他預備了一條安全且穩定的道路,然而當胡子進入體制內的教育現場,亦或是協助父母經營家裡的補習班,他發現自己沒有辦法專注在喜歡的教學上,更多的時候他需要教的不是小孩而是孩子的家長。

在自我探索的過程中,胡子被 Youtuber 這個職業給吸引,他勇敢的放棄、勇敢的相信,果斷離開碩士學位的最後一哩路,突破舒適圈為自己的選擇拼搏。現在的胡子繼續把「好人為師」的精神放在影片創作裡,藉由數位傳播的影響力,把他相信的教育理念、價值觀加進去,這一回成為創作者,他可以放心胡搞各種被束縛的框架,帶著更多的大小朋友一起胡思亂搞!

胡子的人生故事和教育觀點,邀請你一起往下閱讀>>>

順勢而為成為教育者

Q:胡子是怎麼樣走上教職這條路?

會往教職走完全是順勢而為,我家裡本身其實都是老師,我的爸媽有經營一家補習班,我高中沒有特別愛念書,就念著念著剛好指考分數坐落在教育學院、師範學院,我就想說未來如果可以當個老師,就可以在家裡補習班幫忙,當老師對當時的我而言最安全最穩定的道路。

自己也有一點點「好為人師」的特質,在教別人讓別人變好的過程,可以讓我感受到成就感。一個人能因為我而進而改變,會讓我感到高興,覺得當老師這途應該滿適合我的。

不過到了第一線的教學現場,才發現我是喜歡教人,但學校體制的老師除了把學生帶好,還有很多很多很多很多…….繁瑣和我不想處理的事情,比方說跟家長溝通,小的要教,大的也要教,還要處理學校交代的一些意義不明的行政事務,總覺得很多事有更好的做法,但常常不能盡如人意。

老師除了把學生帶好,還有很多繁瑣的事需要處理。圖/Envato Elements

後來我的心力主要放在補習班這邊,然而來到補習班的學生,最主要的目的就是要提升課業成績,有一些教學理想又不一定能放在補習教育裡,之前在學校碰到的家長問題也還是存在。

比方我曾經有個學生有注意不足過動症(ADHD),但因為他是長子長孫,全家對他寄予厚望,希望這個孩子未來能當醫生,當時我主要帶他數學和自然科學,從一開始的七八十分,慢慢到平均到九十、九十五分,但家長看到進步只覺得「為什麼都到九十了,還是不能到達一百分」,他的才華不應該往醫生的方向過去,在他讀書的過程中,我可以感受到他是讀得很痛苦。

因為補習班是家裡開的,除了教學我也要處理行政事務,想到未來十年、二十年如果還要過著這樣的生活,我知道自己沒辦法這樣下去,一直以來我都告訴學生要多方嘗試,勇於追求自己的夢想,但到頭來我發現我自己才是那個不滿現狀卻又不敢跨出舒適區的人,於是我在碩三那年毅然退學離開教育研究所、離開教學前線,先去當兵再慢慢思考自己到底該何去何從,後來才在替代役服役期間發現 YouTube 這條路。

試著為自己創造工作

Q:什麼樣動機開始經營 Youtube 頻道 ?

我從研究所退學之後,在替代役服役期間花了大量的時間思考自己的各種可能性,低潮時就看一些雞湯影片來振奮自己,偶然間發現原來經營 YouTube 可以作為一個職業,而且收入可能可以很不錯! 於是我花了大量的時間研究,本來是因為之前受到很多翻譯的雞湯影片鼓舞,所以想當個翻譯 YouTuber,提升語文能力的同時又可以讓我翻譯的影片發揮影響力,鼓舞更多像我這樣對人生感到徬徨的年輕人。

胡子在服替代役期間,偶然發現經營 YouTube 可以作為一個職業。圖/Pexels

但後來發現這樣很容易遇到版權問題,而且既然都要花時間了,為何不用來投資自己?於是我轉而朝向當時很喜歡的 Hajime 社長、人生肥宅 x 尊那種快節奏的「開箱&實驗」路線前進,畢竟這種內容的題材源源不絕而且永遠都會有市場,再者,只要觀眾對我的形象開始產生信任,我也一樣能發揮雞湯影片一般的影響力來改變大家,畢竟就我以前的經驗來說,學生總是在他們最喜歡的老師所教授的那個科目展現出最高的學習熱忱,因此我給自己一年的時間,從零開始學習影像剪輯、社群經營、企劃籌備、等等全新知識,慢慢地走到今天。

人生就是需要勇敢的相信、勇敢的放棄

Q:放棄教職,家人得知胡子當初要成為 Youtuber 的反應?

從小家人都蠻放任我自由發展興趣,但他們可能有發現我並沒有真的發展出什麼興趣,如果不接補習班、不當老師,我也沒有什麼特別能工作謀生的技能,他們就覺得我好好接管家裡的補習班就好,他們也可以退休,我越長越大他們希望我當老師接補習班的期望也越來越強烈和明確。

當我做了從研究所退學的決定,家人一開始得知也很崩潰,說我都已經讀到碩三了,為什麼不咬著牙把論文寫完,當時他們對我要當 Youtuber 的想法是很不能諒解,因為在他們的認識中並沒有這樣的職業,他們會覺得很危險風險很高,也是擔心我拉,全天下的父母都是這樣的!

瘋子的定義,就是重複做一件事情卻期待得到不同的結果

Q:胡子選擇這句科學人宣言的原因?

我覺得科學很多理論定律都可以運用在現實生活中,例如自然科學很強調的是科學的再現性,如果完全重複同樣的動作,理論上都應該要得到同樣的結果。

在日常生活中,如果你想要得到不同樣的結果,但你又不改變你的生活,是不可能會有所改變,比方說想要減肥,但又不運動不改變飲食習慣,想要找理想伴侶,但用同樣的擇偶邏輯,也不改變自己的身心狀況和生活習慣,你永遠都只會找到一樣的人,只是換著不同的名字罷了,所以我覺得這句話放在生活其他地方也都是很好用的。

如果想要得到不同結果,就必須要做出改變。圖/Pexels

響應本次「LIS 第二季大科學計劃」,胡子 Huzi 分享給我們的大科學人宣言:
❛❛ 瘋子的定義,就是重複做一件事情卻期待得到不同的結果  ❜❜
——愛因斯坦

胡子分享的科學宣言,恰巧呼應著他的人生抉擇,因為看見體制教育、補習班教育裡的限制,他勇敢的跨出改變,為自己開創新局。科學定理不只能存在科學課本裡,我們也能活在這些道理之中!

邀請您一同成為各行各業中的大科學人,您的捐款將支持「科學公益教材」的穩定開發,一起 支持台灣科學教育,讓孩子從小開始像「科學家一樣思考」,帶著自信長大成為各行各業中「 永保好奇」、「邏輯思辨」的大科學人!

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❛ 教育不只是老師的事,這是我們的任務,下一個世代的科學史,現在就得開始寫起! ❜
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LIS_96
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LIS ( Learning in Science )情境科學教材,成立於2013年7月,是一個非營利組織,致力於為國中小自然教師及學生,設計有別於填鴨教育的科學教材,協助教師進行STEAM和科學素養導向的教學,讓教師更簡單地進行教學創新,幫助更多孩子找回對科學的學習動機,並培養解決問題的能力。 在 Youtube 頻道【LIS情境科學教材】上,我們會即時更新所有LIS教材的影片,而完整的教案、學習單,亦同步上傳於【LIS教材平台網】歡迎您前往瀏覽完整內容。

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大科學人專訪|台大教授葉丙成:素養就是運用知識解決真實世界問題的能力和態度
LIS_96
・2022/12/30 ・3173字 ・閱讀時間約 6 分鐘

他是葉丙成,台大電機教授,也是線上遊戲學習平台 PaGamO 和實驗教育機構「無界塾」的創辦人,葉丙成老師的求學經歷建中、台大、留美、當教授,完美符合了傳統價值對於菁英人才的期待,而直到葉丙成到美國求學、當上台大教授後,他才一再體會到著眼「好成績」將錯失生命許多彌足珍貴的探索機會,於是他展開中年叛逆,成為力推台灣「翻轉教育」的先行者,讓更多台灣孩子有機會比他更早一步擁抱不被成績綁架、有所熱情的人生。

葉丙成的人生故事和教育觀點,邀請你一起往下閱讀>>>

成為病態的考試機器,失去對世界的好奇心

Q:可以和我們分享葉丙成老師自己的求學歷程嗎?

我從小在教授宿舍長大,唸的是台科大後面的公館國小,除了去美國讀書之外,建中是我讀過最遠的學校。

在我們居住的環境裡大多都是教授父母,大家難免會比較小孩的成績,我從小就一直在「因著成績被肯定」的狀態長大,成績很好但我完全沒有學習的熱忱和好奇心,我知道自己是在應付考試,也很會應付考試,那其實是一種很病態的價值觀,我差不多在高中就已經失去對世界的好奇心,看到新東西、沒碰過的東西,我反而會覺得很煩又要花時間去搞懂。

考贏別人得到師長的肯定是唯一的追求,但到了美國唸博士之後發現其實根本沒有人在 care 考試和成績排名,在派對上面我只能用傅立葉(專業知識)跟同學開話題,根本沒人想鳥我,我才看見自己的貧乏。

儘管成績很好,但完全沒有學習的熱忱和好奇心。圖/Pexels

現在在台大教書,看到這些孩子,也常常覺得成績好、會應付考試,某種程度是背負一種詛咒,不是因為成績好選擇更多,而是在追求成績的過程,我們根本不知道自己要什麼,看不到自己真的有熱情的地方,時間就一直流掉,焦慮就一直擴大,變得沒有靈魂。

非結構化學習才能培養孩子面對未知世界的能力

Q:有了前述的反思,現在葉丙成老師怎麼帶自己的兩個兒子 ?

對我而言我完全不在意他們的成績,只要他們保有對世界的好奇心、熱情,有個人特質的魅力,願意去探索任何事我都是支持。

有些爸媽會因為小孩數學考 98 分而打小孩,罵小孩怎麼能因粗心而少那 2 分,但沒有什麼應不應該,說真的數學考 100 分也不代表他長大就會變成人才,數學只要懂就好,考 80 分和 100 分其實沒有差,最怕的是他不懂。

我比較在意的是孩子有沒有「非結構化學習」(unstructured learning)的能力,當孩子對一件事情感興趣,願意花時間蒐集資料,把來龍去脈搞清楚,最後建構出他對這件事情的知識體系,這就是非結構化學習。這個能力是非常重要的訓練,未來不管他做什麼,都可以很快的進入狀況。

從小到大,我們在學校學的都是結構化的學習(structured learning)有課本和教材,非結構化學習的能力很難訓練,只能靠常常實作來建構,但我們通常很少有機會鍛鍊孩子這個能力。

希望孩子有非結構化學習的能力,願意花時間蒐集資料、釐清來龍去脈,建構出知識體系。圖/Pexels

有一次我家兒子他晚上 11 、 12 點還不睡,我問他在幹什麼,他說很喜歡老師養的貓咪,想做一張貓吉拉吃人的卡片送老師,所以在學 Photoshop 看能怎麼做出來,我沒有阻止他,繼續忙自己的事情,沒想到忙一忙凌晨 3 點兒子還沒睡,但他已經用 Photoshop 做出一張還滿漂亮的卡片了!通常遇上這種情況,大部分的爸媽可能會質問孩子為何浪費時間弄一隻貓,但對我而言能自己學會而且做出來比考 100 分來得更重要。

讓孩子贏在十八歲之前,卻犧牲時間養成足以面對未來的關鍵能力

Q:葉丙成老師覺得什麼是學習過程中應該具備的關鍵能力?

108 課綱在講的就是培養台灣小孩變成終生學習者,有自主學習能力的人,過去台灣教育把學生訓練成「搜尋引擎」,孩子不斷地寫評量和考古題,考試考很高的分數,但遇到不同的題型就不知道怎麼辦,如果下一代都不敢創新,只想著搜尋既有的解法,那台灣的未來很令人擔憂。

素養就是「運用知識解決真實世界問題的能力和態度」,「知識」、「能力」、「態度」三者加在一起才會擁有素養。台灣教育過分強調學習知識,孩子可能很會解困難的數學題,但你請他們在生活中利用簡單的數學解決問題,他不一定可以解決真實世界的問題,這些知識只是拿來考試用而已。

我很歡 LIS 創辦人嚴天浩說的一句話,意思大概是:「科學教育的本體不是科學的知識;科學是一種思考的方式。」這句話太精彩,一語道破許多人對科學的錯誤看法!

我們小時候常看到的「十萬個為什麼」這類的書,那是最糟糕的。爸媽買這種書給孩子,孩子博學強記,結果大人問什麼科學問題,孩子都能快速講出答案,爸媽就覺得自己孩子是小天才。孩子也以為知道所有科學相關問題的為什麼、能快速回答各種關於科學的問題,就是學科學,這簡直錯得離譜!

學科學真正重要的是:面對問題時的思考方式。圖/Pexels

就像天浩說的,學科學真正重要的,是學會科學家面對問題的思考方式:如何觀察、如何提出假設、如何設計實驗來驗證假設、如何修正自己的假說……,這一連串的過程,才是科學教育最重要的,人家問什麼都能快速答得出來 Google 網站就做得到了。

期待台灣教育成為亞洲國家的教育典範

Q:葉丙成老師對台灣教育的建議與期待?

很多孩子在教育上遇到的狀況,是家長選擇造成的結果,只要放過自己的小孩,讓他快快樂樂的長大,我覺得就已經會減少很多問題,很多孩子壓抑自己的七情六慾,變得膽小慎微,失去創造性。

我最近跟一些高中生在聊,雖然他們也很想跟我聊,但我們唯一能約的時間是禮拜五晚上的十點,因為六日他們要補習,平日晚上補到九點多要回家準備明天上學,你看這個社會把孩子逼到這個樣子。

我希望我們這些對教育很有熱情的人,比方說家長、中小學高中大學、體制內教育和體制外教育的老師,看可以怎麼把各個不同領域的力量串起來,更加速改變整個台灣社會對教育的看法。讓台灣的小孩能夠在亞洲有相對開放鬆綁的教育,我認為是很有機會的,這是接下來十年想和大家一起努力的目標!

葉丙成認為,讓台灣的小孩能夠在亞洲有相對開放鬆綁的教育,是很有機會的。圖/Pexels

響應本次「LIS 第二季大科學計劃」,葉丙成老師分享給我們的大科學人宣言:

❛❛ 有科學的思維,才能看出誰在胡扯  ❜❜  —— 葉丙成

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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。

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