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發泡石墨可作為優良電池電極

NanoScience
・2012/07/24 ・960字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

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美國研究人員發現超薄發泡石墨(ultrathin graphite foam, UGF)可使用在鋰離子電池中作為負電極。此輕量化高導電發泡石墨具電化學穩定性,製備簡單且價格低廉,有機會與鋁箔以及鎳箔等一般常用陰極材料一較高下。

德州大學奧斯汀分校的 Rodney Ruoff 等人所研發的超薄發泡石墨是先調配一漿狀物(slurry),其成分包含磷酸鐵鋰(lithium iron phosphate, LFP)、碳黑以及聚偏二氟乙烯,接著藉由液滴塗佈法將其充填入發泡石墨內。待此混合物乾燥後便可與電池隔離膜、正電極、電解液以及電池外殼組裝形成一完整電池。根據團隊成員 Hengxing Ji 表示,當此超薄發泡石墨置於六氟磷酸鋰-有機碳酸鹽之類的電解液內時,在高達 5 V 的電壓下仍極為安定。此外,相較於鋁箔與鎳箔等傳統電極材料,此發泡石墨同時具有較高的功率和能量密度。

目前最先進鋰離子電池單體的陰極通常是由塗佈磷酸鐵鋰的電流收集極所構成,常見材料為厚度約 20–30 μm 的鋁箔。然而儘管鋁箔具有高電導率,卻因其平面結構而無法有效率地收集電子,最終會限制電池的功率密度。此外,較厚的陰極材料雖有助能量密度的增加,但卻會進一步惡化原本受限的電池功率密度。更糟的是,許多電解質溶液會侵蝕鋁箔,導致緩慢的陰極自放電以及整體電池效能下降。

圖為發泡石墨(graphite foam)。圖片來源:EarthTechling

Ji 表示,超薄發泡石墨之所以能取代鋁箔的原因在於它並沒有上述任何缺點。此石墨材料提供高導電內連接支柱網路(室溫電導率約 1.3X105 S/m),大幅提昇了陰極內的電子傳導並改善功率密度。另外,具高表面體積比的超薄發泡石墨密度為 9.5 mg/cm3,相較於鋁箔而言可使用較少材料,故能增加電池能量密度。實驗數據顯示,此超薄發泡石墨/磷酸鐵鋰陰極的最大比電容(specific capacity)分別比鋁/磷酸鐵鋰陰極以及發泡鎳/磷酸鐵鋰陰極高出 23% 與 170%。

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石墨在許多電解液中皆具高穩定性意味著採用石墨作為電極的電池不會腐蝕,因此不會產生自放電,這對操作於高電壓的裝置來說尤其有益。未來應用範圍包含其他電化學能量儲存元件,如燃料電池和超級電容器等。該團隊最近計畫優化此超薄發泡石墨中的孔隙大小以及內壁厚度以期更進一步提升功率與能量密度。詳見 Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl300528p。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:劉家銘
原文網址:Graphite foam makes good battery electrode—nanotechweb.org [2012-05-18]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-07-22] 

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NanoScience
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主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。

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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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生活中無處不在的電:靜電的應用、交流電與導電性——《神奇物理學》
商周出版_96
・2022/10/15 ・2408字 ・閱讀時間約 5 分鐘

靜電在生活上的應用

我們的抱負是替每種造成生活困難的現象平反,要幫忙找到它們會讓人好過的例子,告訴大家在哪些情況下,它們是有用(甚至更厲害)或有趣的。但是老實說,我懷疑在靜電荷上是否能做到,它好像到哪都會造成困擾。不過有時靜電荷其實也很有用,許多雷射印表機沒有它就無法工作,感謝雷射印表機讓我們不必用鉛筆寫 14 公里。

簡單來解釋一下雷射印表機的運作原理:印表機裡面有個用來列印紙張的感光鼓(Image Drum),這個鼓是帶電,會曝露在雷射光下,而它曝露的地方就會因此被放電,最後會回頭在要充電的區域著色。然後,感光鼓會轉到碳粉那裡,碳粉也帶了電荷,只會附著在仍要充電的區域。感光鼓現在有了我們想要列印的精確圖像,它被引導至紙上將碳粉卸下。

蘋果公司的雷射印表機——LaserWriter Pro 630(1993 年)。圖/維基百科

現在我們的文件已經列印好了。為了不被弄髒,之後會再用滾筒施壓加熱固定,也因此從雷射印表機出來的紙張會有點熱。我們辦公室的雷射印表機曾經在最後一個步驟故障了,還是會列印,只是要手工加固顏色。

除了列印,靜電對打掃也非常有用,但不是清潔家裡,是打掃大型工業廠房時可以派上用場。

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我們會用靜電過濾器來過濾空氣中的灰塵或煙灰,現在大略解釋一下它的作業過程:帶電的電線會將電子噴到要清潔的氣體中,這些電子會在該處碰到灰塵並對其充電,帶電的塵粒就會衝向另一個正電荷的電極,並在那裡落下。然後,你就只要關掉靜電過濾器的電源,並輕輕敲一敲。

殘忍的直流電與交流電戰爭

就算靜電很煩,但至少不會對身體造成重大傷害,不像從插座裡出來的電,會變得非常危險。

你肯定從小就被警告:不要讓吹風機掉進浴缸、不要摸沒有絕緣包覆的電纜!不可以把叉子插進插座裡!不管怎麼說,這些警告都有道理。但原因到底是什麼?如果我們在乾燥空氣中走在地毯上會產生高達 2 萬伏特的電壓,而且也毫髮無傷,那從插座出來的 220 伏特電壓又算什麼呢?

有些時候電會傷人,有些時候卻毫無影響,這是為什麼呢? 圖/GIPHY

吹風機泡在浴缸中不是件好事的最重要原因,是吹風機用的是交流電。你或許知道愛迪生(Thomas Edison)在 19 世紀末發明了燈泡,他希望燈泡能靠直流電運作,所謂的直流電就是電流在電路中朝一個方向流動,就像單行道一樣。

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除此之外,愛迪生還希望用自己的直流電專利和只能計算交流電的電表賺愈多錢愈好。

然而,愛迪生有個最大的問題,就是直流電在長距離使用時,會損失大量的能量。他其實想利用這個問題,在不斷成長的電力市場上,從許多必要的發電站賺到額外的錢。不過隨著時間過去,他愈來愈輸給立場相對的交流電派的競爭對手。

身兼發明家和企業家雙重身分的喬治.西屋(George Westinghouse)與天才物理學家尼古拉.特斯拉(Nikola Tesla)合作,他們依賴交流電每秒會改變 50~60 次的特點。

交流電的優點:可以很容易升到高壓再降壓;可以傳輸幾百公里,損失的能量比直流電少。交流電的缺點:流經生物時,對其造成的危險比直流電大。儘管有這個缺點,威斯汀豪斯和特斯拉還是繼續更大範圍的銷售他們的專利。

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愛迪生在大眾示威抗議下,透過電死動物發起一場可怕的反交流電運動,在悲傷的高峰時刻,他要員工替美國政府製造一把電椅,以展示交流電的致命性。但其實沒有用,交流電已經盛行起來了,因此可以替我們國家的所有電器設備(吹風機也包含在內)提供能量,無論是經過變壓器方便地使用或是直接利用。

交流電可替所有電器設備提供能量。圖/GIPHY

到底是什麼讓交流電這麼危險?我們身體裡其實一直都有微小的電交換過程在不斷發生,例如用這種方式刺激心臟跳動。但每個心跳週期中,都有一個階段心臟對干擾會特別敏感,也就是所謂的「易損期」(Vulnerable Period)。

如果我們在這個期間受到電擊,就會發生危及性命的心室顫動(Ventricular Fibrillation)。

使用交流電時,電脈衝會以每秒 50 次的頻率雙向流動,電力突波會剛好在易損期擊中我們的風險,會比用直流電還要高很多。不過,如果突波剛好在剛好的時間以適合的強度出現,那麼心臟的這種敏感性當然就有用——這就是心律調節器每天拯救生命的方式。

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人體的導電性比你想的還強

我們不應該讓吹風機掉進浴缸還有另一個原因,就是水的導電性比我們想像的要低。我們都以為掉進水中的吹風機非常危險,是因為水可以導電。我們以前都聽父母這樣解釋過,這沒有錯,但也並不完全正確。掉進浴缸裡的吹風機的確很危險沒錯,但那是因為人體的導電性比水好。

就算自來水的導電性很好,但它並非最好的導體之一,例如銅的導電性就是它的 10 億倍。人體的導電性比自來水更強,因為我們不僅是由水組成,還含有許多的鹽,這就是人體比洗澡水更能導電的原因,除非我們在浴缸裡加了浴鹽或尿尿(當然沒人會這麼做),那就另當別論。

如果吹風機掉進水裡,電流在我們身體裡比在水裡更容易傳播,而這種效應還會因為我們整個身體都泡在洗澡水裡而增加,這樣電流的整個接觸面積就會非常非常大。

——本文摘自《神奇物理學:從重力到電流,日常中的科學現象原來是這麼回事!》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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什麼是「近場光學顯微術」?為何它是開啟奈米世界大門的關鍵?
科技大觀園_96
・2021/12/01 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近場光學顯微術可突破繞射極限,使我們看到奈米等級的光學影像。圖/孔瀞慧繪

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後,從 20 世紀後半⾄今,突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸(約為光波長的⼀半,以可⾒光來說約 200-350 nm),仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑,⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場(far field)與近場(near field)兩⼤類,這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長(約數⼗奈米)處進⾏量測,若有則為近場,其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度, 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺,專攻近場光學顯微術,屬於探針掃描顯微術(Scanning probe microscopy, SPM)中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術,家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術,依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中,最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM),其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流(註1),作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離,⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術,其以針尖接觸(contact)或輕敲(tapping)物體,藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒,得知物體表⾯的高低起伏。 

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探針掃描顯微術(SPM)家族。僅示意,並未包含所有的成員。圖/劉馨香製圖,資料來源:陳祺

在探針掃描顯微術中,控制針尖與物體的相對距離是重要的課題,STM 可控制距離在一奈米以下,AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外,要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」,其尺度都會在微米級別以上,這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場,⽽導致晶格長度的伸長或者收縮,即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術,探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎,外加光源於針尖上,即為近場光學顯微術(Scanning near-field optical microscopy, SNOM),依照光源形式的不同可區分為兩⼤類: 

1. 微孔式近場光學顯微術(aperture SNOM,簡稱 a-SNOM) 
2. 散射式近場光學顯微術(scattering SNOM,簡稱 s-SNOM)

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖,先鍍上⼀層⾦屬薄膜,並打上⼩洞,讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出,得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上,並量測散射後的光訊號。其中,針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡(Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式,主要為量測拉曼散射光譜,即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱,透過探針鍍上⾦屬薄膜,即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果,來增強待測物的拉曼訊號,並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

(左)a-SNOM 所使用的探針,針尖上有微孔。(中)a-SNOM 原理:綠色箭頭表示光從上方經微孔射入樣品,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。(右)s-SNOM 原理:綠色箭頭表示光聚焦於針尖,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。光源與偵測器的位置可互換。圖/陳祺提供

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間,其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測,需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合,用以量測更多種類和不導電樣品。

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陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主,曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果,維基百科的 TERS 條⽬,也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後,陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM,兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上,因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM,以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外,穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易,是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式(contact mode)的 AFM 方式掃描,以防止輕敲式(tapping mode)起伏會干擾光訊號,代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡,能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅(在⼀個奈米以下),可以大幅提高 AFM 的形貌解析度,也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗,才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

不同的顯微影像比較。樣品為一種二維材料異質結構,左為結構示意圖,中為 AFM 影像,右為 a-SNOM 影像。AFM 能精確解析樣品的高低起伏,然而 a-SNOM 可解析樣品的光學特性。圖/陳祺提供

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度,但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性,經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM,因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度,來解釋近場光學所量測的結果,以期研究材料背後的物理或化學現象。

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另外,陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測,將針尖與光學元件整合在自製的腔體(cage system)之中,得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像,這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後,⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員,「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽,陳祺分享⾃⼰的⼼得:「是不可能兼顧的啦!先集中精神做好⼀件事,等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事, 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1:量⼦穿隧電流:在量⼦世界中,物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質, 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時,有不為零的機率穿過去,並產⽣穿隧電流(tunneling current )。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減,因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

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