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北極流言終結者:大便冰刀不太好用──2020搞笑諾貝爾材料科學獎

寒波_96
・2020/09/24 ・4287字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始,2020 年也不例外。今年「第 30 次第一屆搞笑諾貝爾獎」的材料科學獎頒給 7 位科學家,得獎理由是發現「冰凍人類大便做成的刀不好用(knives manufactured from frozen human feces do not work well)」。1

人類大便結凍後製成的冰刀,由金屬銼刀處理過邊緣,再置入攝氏−50 度的乾冰強化結構。圖/取自 ref 3

這個實驗其實算是人類學研究,也很有流言終結者的味道。今年 10 個獎項中它與管理學獎:「5 位中國殺手層層轉包,卻都沒有人下手」大概是最引人熱議的。不過為什麼有人想測試,冰凍大便的切割能力呢?起因自一則流傳的北極小故事。

延伸閱讀:疫情也阻止不了的2020搞笑諾貝爾獎!宅在家慶祝這充滿 BUG 的一年

人類學家的北極小故事

小故事的宣傳者不是普通天橋下的說書人,他是加拿大的不列顛哥倫比亞大學(University of British Columbia)的人類學家戴維斯(Wade Davis)。他在 1998 年出版的《Shadows in the Sun》書中記錄一則北極的伊努特人*故事,後來還在幾次演講時提到。

*註:伊努特人或翻譯為因紐特人,或發音類似單字的組合。

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以北極伊努特人為主題的遊戲《永不孤獨》。圖/取自 ref 5

戴維斯自述,這個故事是加拿大北極區的巴芬島,一位伊努特獵人納基塔維克(Olayuk Narqitarvik)告訴他的。事情發生在 1950 年代,那時納基塔維克的爺爺不想隨眾人搬家,一個人留下;其他人為了促使他上路,把裝備、資源通通拿走。

納基塔維克的爺爺突發奇想,缺乏工具,就自己生產!於是他把自己的大便冰凍,做成刀的形狀,再用口水讓邊緣鋒利;接著殺掉一隻路過的狗,用狗的肋骨做成雪橇,又抓到一隻狗拉雪橇,就這麼消失在黑暗之中⋯⋯

這個故事據說流傳甚廣,不過有基本邏輯的人,一聽便能判斷是唬爛的。假如這些事都是由一個人單獨完成,旁邊沒有任何人,他最後又消失在黑暗中,那麼整個過程怎麼可能留下記錄呢?即使是作者戴維斯自己,也認為這則故事的真實性「可疑(apocryphal)」。

話說回來,人類從古至今利用過各種材料製作工具,不管北極小故事有沒有發生過,假如故事內容是真的,也可謂材料科學的一大發現。於是以美國的肯特州立大學為主的一隊科學家,真的進行測試,實驗結果強烈否決大便冰刀的可能性。2, 3

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用大便冰刀和美豬做實驗囉

實驗過程其實不算複雜。一位研究者連續多天,吃高蛋白質、高脂肪的伊努特式傳統食物,然後把大便做成刀的形狀(用模型或是用手塑形),擺在攝氏−20 度到實驗開始為止。實驗開始前先以金屬銼刀把冰刀削利,再浸入攝氏−50 度的乾冰數分鐘,確保實驗時冰刀夠堅硬。

用人類大便製成的冰刀切割豬皮。圖/取自 ref 3

故事中的動物是狗,不過實驗切割的材料不是狗,是豬(在美國做的實驗,所以應該是美豬)。豬皮、豬肉、豬肌腱 3 種材料,先擺在攝氏−20 度很多天,實驗開始前 2 天再移到攝氏 4 度解凍。切割則是在攝氏 10 度左右的環境進行。

實驗結果非常清楚,冰刀連最軟的豬皮都無法無法切割,更不用說比較硬的豬肉、肌腱。即使冰刀一開始非常堅硬,與冷藏取出的美豬接觸後仍開始融化,甚至無法留下刀割的痕跡。另一位吃普通西洋食物的研究者,用一樣的步驟製作冰刀重複實驗,同樣無法成功。

豬皮下方的皮下脂肪,倒是能被冰刀切下一絲絲,但是冰刀接觸皮下脂肪後也迅速融化,無法繼續使用。

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用人類大便製成的冰刀,切割豬皮的結果。冰刀融化後在豬皮表面留下痕跡,卻幾乎無法對豬皮造成傷害。圖/取自 ref 3

沒有任何狗受到傷害

戴維斯為了增加北極小故事的真實感,引用丹麥探險家福祿陳(Peter Freuchen)1953 年自傳的內容。福祿陳自述有一次在冰上被雪困住,他將自己的大便冰凍後作為鑿子,才成功脫困。

論文認為,儘管沒有理由認為福祿陳說謊,但是他的說法真實性存疑。而且就算福祿陳講的是真的,用鑿子除雪和用刀子切肉,難度不可一概而論。假如連最軟的豬皮都無法切割,要穿透一隻完整的狗根本毫無可能。

丹麥探險家福祿陳(左)的北極留影。圖/取自 alchetron

故事中另一段劇情:用口水讓冰刀邊緣變鋒利,論文沒有實際操作,但是強烈懷疑這會有幫助。因為早已知道水結凍製成的冰刀,只要接觸就會開始融化。

一系列實驗證實,用冰凍大便做成的刀肯定無法切割美豬,推論狗應該也沒辦法,所以戴維斯的小故事劇情不可能發生。

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論文主張,人類學家會蒐集大量故事、謠言、口述歷史、都市傳奇等等記錄,有些情節卻不一定符合實際狀況。

人們愛聽千奇百怪的故事,而人類學家應該勇於驗證故事情節的真實性。

此研究在 2019 年發表於專業的考古學期刊《考古科學期刊:報告(Journal of Archaeological Science: Reports)》,由於題材奇妙,當時就引起一陣討論;隔年(2020年)獲得搞笑諾貝爾獎的材料科學獎,又引發一波轟動。

一位得主坐在馬桶上發表得獎感言。圖/取自搞笑諾貝爾獎頒獎影片

北極小故事原作者的反駁

論文在 2019 年發表後,小故事原作者戴維斯寫文章表達意見。從文字看來他不是很高興,他覺得在伊努特傳統文化逐漸消失之際,還有人浪費錢跟時間搞這種研究,實在不可接受。4

戴維斯自稱從未強調過故事情節的真實性,他沒有發表在正式的學術期刊、科學期刊,只在演講與普通文章中提及這個情節可疑、卻有象徵意義的小故事,目的是闡述伊努特人與冰的獨特關係:伊努特人不畏懼寒冷,懂得利用冰,才得以在嚴寒中生存。

儘管宣稱不在意真實性,戴維斯仍然質疑論文的實驗方法,和故事情節不一樣:狗皮和豬皮不同,豬皮切割失敗,不等於狗皮也會失敗;故事中是在冰天雪地下切狗,實驗卻是在攝氏 10 度進行。差異如此明顯,這個實驗一點都不客觀!

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我們歸納一下戴維斯的論點:

第一,實驗根本沒意義,關心伊努特人才有意義。

第二,我從來沒說過那是真的故事。

第三,就算我沒說過故事是真的,實驗也無法證明故事不是真的!

小故事原作者戴維斯 2008 年的 TED 演講。圖/取自 TED

雖然冰刀無用,還是要關心逝去中的傳統文化

戴維斯展現出人類學家對現實人類的關懷姿態,但是他對科學的意見有沒有道理呢?我個人推測,就算改變條件,不會成功的實驗還是不會成功。

即使是在攝氏 10 度下實驗,冰刀的硬度多半不是問題,因為經過攝氏−50 度的乾冰處理,冰刀至少能保持一段時間的堅挺。如果一開始最硬的時候完全切不下去,狀況過更久應該也不會改變。

凍結人類大便製作的冰刀,角度正確的話可以擊倒狗,但是要再取出狗的肋骨,勢必需要切割。豬跟狗的身體當然不一樣,可是冰刀在已經分離過的豬皮組織,都無法留下切割痕跡,難以想像對一條完整的狗還有機會成功。(冰刀在北極可以隨處取材,要是真的能這樣用,探險還要帶那麼多裝備嗎?)

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測試用的動物材料,若是用不久前還活跳跳的動物,殘留的體溫只會讓冰刀加速融化。經過一段時間讓肉體在雪地降溫後,太硬的肉還是會讓冰刀接觸摩擦時融化。處於冷藏狀態的肉,條件或許相對平衡,不過論文的實驗已經證明,切割攝氏 4 度的肉便足以令冰刀融化。

實驗失敗的關鍵,恐怕還是在於切割這件事會毀滅冰刀,只要開始切割,就註定會失敗。

北極伊努特人,與世界各地許多傳統文化正在消逝。圖/取自 ref 5

我想這個看似搞笑的研究背後,至少有兩件事值得認真, 一是科學,另一是人:

第一,故事不用在意真實性,但是仍然可以驗證,小處不可隨便。

第二,大家有興趣能多關注伊努特人,以及現代世界中漸漸消逝的傳統文化。

身為印地安人的遊戲評論員 Daniel Starkey,曾經在主打伊努特文化的遊戲《永不孤獨 (Never Alone,Kisima Inŋitchuŋa》評論中提到:5

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「當我的文化益漸衰弱,我們曾經的一切彷彿也漸漸淡出而變得晦澀朦朧。要接受數百個文化豐富的歷史步入死亡,實在是再簡單不過了」

想看其他?第 30 次第一屆搞笑諾貝爾獎頒獎影片在這裡:

延伸閱讀

  1. 箕形門齒 X 美洲原住民 X 母乳——這三者源自冰河時期的神秘關係是?
  2. 黑曜石8000年前冰原歷險記,旅行1500公里
  3. 兩岸一家親的西伯利亞與北美洲,過去回來又過去的情慾流動
  4. 北境永不遺忘,西伯利亞,美洲人的交流分合
  5. 流言終結者:一場14年的「科普」爆炸!

參考資料

  1. 搞笑諾貝爾獎得主 https://www.improbable.com/ig-about/winners/
  2. Eren, M. I., Bebber, M. R., Norris, J. D., Perrone, A., Rutkoski, A., Wilson, M., & Raghanti, M. A. (2019). Experimental replication shows knives manufactured from frozen human feces do not work. Journal of Archaeological Science: Reports, 27, 102002.
  3. Scientists test to see if knives made from frozen feces can cut animal tissue
  4. The Problem with the Frozen Poop Knife Study
  5. 《Never Alone》:交織遊戲、群族記憶和生命文化的嘗試

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
193 篇文章 ・ 985 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

降低碳排還不夠,奈米材料幫你直接減少二氧化碳!

氣候變遷問題日益嚴重,2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份,臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標,設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員,他的研究專長是奈米能源材料,我們將介紹一種複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),在太陽光照射下,此材料表面發生的氧化還原反應,會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳?根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據,2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸,而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下,每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤,相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油!

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」,人類活動排放的溫室氣體,已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去,碳排放量可預期將不斷上升,大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示,地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 註 1,否則將有不可逆的後果,例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此,世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標,並不是說都不排碳了,而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消,達到「淨零」的目標。

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要達到淨零的目標,除了尋找與開發減碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下,如果可以像植物一樣,只要照太陽光,就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物,聽起來不錯吧?但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定,要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應?

我們可運用「陽光」與「光催化材料」(又稱光觸媒,photocatalyst),不僅可以減碳,還能產生有價值的碳氫化合物,是一種「一舉兩得」的方法!

光觸媒(光催化)材料是什麼?

在談到光催化材料之前,先複習一下「催化劑」這個概念,催化劑不參與化學反應,但是它讓原先不可能的化學反應變得可行!陳貴賢分享,這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山,經過九彎十八拐的北宜公路;但如今有了「雪山隧道」之後,就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外,催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色!在過去,農作物施肥只有天然氮肥可以使用,產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加,《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面,波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔,用來收集當肥料用的鳥糞。

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到了近代,陳貴賢提到在 20 世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)透過催化劑,在高溫高壓的條件下,以鐵粉做為催化劑,讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能,人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥,農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」,顧名思義就是協助光化學反應的催化劑,但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於,其化學反應通常發生在固態的表面環境,目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料,你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」,例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能,其實就是照射足夠的光,讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸,這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構,且大幅增加反應的表面積,讓光催化反應更有效率。

陳貴賢:「一個高表面積的奈米粉末,它的表面積可能是薄膜的一萬倍,甚至於十萬倍。」

給你電子,還你原形!光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的?

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳,是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」,氧化反應會失去電子,還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),可以讓二氧化碳還原成甲醇(CH3OH)和乙醛(CH3CHO),這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下:

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要持續減少二氧化碳,就要持續發生上述還原反應,持續供給電子。不過,我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面?這裡就開始涉及到半導體的核心問題:電子與電洞的產生、分離和傳輸

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:ZnS/ZIS,是結合兩種奈米半導體材料,透過水熱法合成,將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,形成 0D-2D 結構的 ZnS/ZIS 複合物,就像製作巧克力豆餅乾,不過要複雜得多。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

既然 ZnS/ZIS 是半導體,當受到光照之後,原來的價帶(valence band)電子會被光激發成導帶(conduction band)電子,原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位,就是電洞。電子和電洞的遷移,就是半導體形成電流的原因,因此電子和電洞都稱為「載子」(charge carrier)

還記得上面的還原反應嗎?

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對光催化材料來說,為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇,必須獲得穩定的電子來源,材料內部要迅速補充電子到表面,因此:

照光產生的電荷載子數量越多越好;產生的電子和電洞要傾向分離,分得越遠越好;電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定,首先照光產生的載子要多,就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合,照光產生的電子和電洞很容易復合,一旦復合,等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好,可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS/ZIS 光催化材料,依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99,分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中,ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇(如下圖)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率,陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值(apparent quantum efficiency),用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量,產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後,ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%,量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍!

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這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合,因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率,選擇兩種不同的半導體材料組合,讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞,並且把電子送到它該去的材料表面。

此外,使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」,以符合光催化反應的能量門檻,自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後,繼續往 ZIS 跑,光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面,還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快!控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發,陳貴賢提到:「材料低能階,然後光子進來後,把電子激發到高能階去做反應,太陽能電池也是這樣。但是呢,有時候沒那麼剛好,例如激發後的能階不夠高,雖然激發上去了,但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起,電子上去以後又下來,然後再吸收第二個光子上去,那就變得很高了,高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖,如下圖所示,電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發,變成自由電子,接著經過設計完善的材料介面,先降到較低的 ZIS 束縛區,受到第二次光子的激發,再次變成自由電子,跑到光催化材料的表面,和二氧化碳發生還原反應,將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

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看看電子走過的路,如果向左歪著頭看,是不是就是一個 Z 字呢?科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」(Direct Z-scheme)。「直接」的意思是,電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程,不需要再經過一個中間地帶,降低電子和電洞復合的機會。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料,電子可以不需要中間的「轉接站」,直接轉移到另一個材料上呢?這裡也有一個巧思:不同材料之間的「微應變」

不同材料的晶體排列規律是不一樣的,當兩種材料接在一起時,接面處會發生「晶格不匹配」,也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是,如果我們可以控制微應變(Strain)的程度,就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置,微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能,進而形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。

總之,陳貴賢團隊開發的這套材料組合,是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料,可做為未來量產光催化材料的研發設計參考,同時也是減碳的解方之一。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示,目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域,他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸,有太陽能電池和熱電材料,同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料,以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展,因為在 2050 淨零排放之前,有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列,企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中,台積電為蘋果主要供應商,2020 年也加入 RE100,目前為臺灣再生能源的主要買家

可以預見,將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求,而能夠減少二氧化碳的光催化材料,也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到,當前光催化材料還在基礎研究階段,目前的人工光合作用效率約 1%,接近大自然效率,而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上,方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值,不僅轉化後的燃料可以賣錢,處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用,是一種前所未有的概念。

陳貴賢強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值。
圖|研之有物

註解

  1. 根據 IPCC 的資料,如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內,必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標,同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放,特別是甲烷。
研之有物│中央研究院_96
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小鳥為什麼不走路要用彈跳的?——《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》
晨星出版
・2023/10/25 ・1493字 ・閱讀時間約 3 分鐘

彈跳的鳥類

用雙腳移動時,只有鳥類會使用而人類不會用的動作,那就是彈跳。這種名為彈跳的運動既困難又麻煩,為什麼鳥要這樣子彈跳呢?其實到現在我們還無從得知。

如同前述,彈跳是兩腳幾乎同時一起跳的運動方式。我們常見的鳥,像是麻雀和日菲繡眼這種小鳥就是用彈跳的(圖一),而烏鴉在急的時候也會彈跳。

麻雀是兩腳並用一起跳,但也有兩腳稍微錯開來彈跳的物種。例如巨嘴鴉之類的鳥類身體會微微傾斜,左右腳些微錯開,用「噠噠、噠噠」這樣的節奏來彈跳。這兩種本質上的差異目前還不清楚,不如說彈跳跟跑步的差異也還不清楚,所以步行研究者目前也是束手無策。

圖一、麻雀的彈跳,左右腳微微錯開著地(照片 ③ 中偏差大約是 1/120 秒)

歐亞喜鵲這種鳥同時會彈跳也會跑步,但比較兩者的研究顯示,在跑步與彈跳中,腳的運動方式跟肌肉動作幾乎一樣。彈跳跟跑步一樣,是高速移動的方式,活用肌腱像是彈簧的功能來轉換動能跟彈性位能。然後,兩種的差別只有「雙腳交互動作」或是「幾乎一起動作」而已。

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彈跳和跑步除了腳動的時機以外沒有什麼不同,那為什麼只有一部分的鳥是用彈跳的呢?

這個問題,很遺憾現在的科學還沒有解開,現階段一致贊同的只有:一般認為會彈跳的鳥是相對小型的種類,以及常待樹上的種類。看了許多鳥以後,會發現確實小型的鳥很常彈跳。另外,喜歡待在樹上的鳥則是常用兩腳一起從一根樹枝跳到另一根樹枝上,所以在地上也同樣會用兩腳一起跳躍,這樣說來可能就會覺得可以理解。

但是在樹上彈跳,在地上也還是可以步行不是嗎?不這樣區分移動方式,應該是因為有什麼身體構造或生理學上的理由才對,但這問題至今仍然是謎。

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圖/giphy

另一方面,小型的鳥喜歡彈跳的理由,如果用「彈跳適合用來高速移動」,可以解釋一部分的疑問。比起小型鳥,大型鳥的步幅更大,一般步行速度也比較快。如果小型鳥想跟大型鳥用同樣速度移動的話,就需要走得很快。像是人類,也很常在路上看到小孩要小跑步拚命跟上大人的走路速度。跟那個狀況相同,小型鳥有使用相對身體尺寸的高速進行移動的必要性。

想像看看會啄食掉落在地面的種子的鴿子和麻雀,如果用同樣密度灑餌,鴿子只要數步就能抵達下一個餌也說不定,但小型的麻雀需要移動相對更遠的距離才能拿到餌(圖二)。這樣一來就需要比較急著移動,這麼解釋或許也很合理。

圖二、假設在距離鴿子兩個身體遠的地方放餌,對體型較小的麻雀來說,同距離就需要移動六個身體的長度,不移動更遠的距離就沒辦法拿到餌。

但是彈跳和跑步如果是同樣的運動,那為什麼不能用跑的呢?「小型鳥比較需要快速移動」這種說明,很遺憾地似乎不能完全解釋為什麼要選擇彈跳。

但這麼簡單的問題,21世紀的科學還無法解釋,真是令人驚訝。

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——本文摘自《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》,2023 年 8 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

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