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HOW TO 做出安全的鋰電池?先讓它爆爆看!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/12/02 ・2832字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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本文由 UL 委託,泛科學企劃執行

  • 文/陳亭瑋

2019 年的諾貝爾化學獎頒給了發明鋰電池的三位科學家,因為他們的貢獻,讓我們的世界現在隨處可見輕便的手機、筆電以及電動車。在享受鋰電池帶來便利生活的同時,我們也不能忽略其潛在風險。像是 2016 年三星 Galaxy Note 7 手機的爆炸事件,正是電池設計與品質控管不良等綜合因素所造成;電動車在充電或正常操作時起火燃燒等鋰電池意外也時有所聞。

究竟是哪些因素,讓鋰電池出錯、發生自燃或爆炸的意外呢?這要先從鋰電池的構造說起。

鋰電池內部主要是由正極、電解液、負極、隔離膜四大部分組成,加上外殼封裝之後,  就成為可以獨立運作的基礎單元,一般稱為「電芯」。為了有效管理電池效能,並限制電池因錯誤操作所造成的危險,一個或多個電芯還必須進一步連接管理系統電路板,有時甚至配備主動或被動式散熱系統,加上電池外殼進行最後封裝,才成為一般使用者所看到的鋰電池。

鋰電池的充放電都是化學反應。充電時,鋰離子會由正極往負極移動,放電時則反過來。而像這類的化學反應都會放出熱,再加上「電芯」裡大多是易燃材料,如果電池設計不當、品質不良或使用者誤用,就容易燃燒或爆炸。

接著簡單介紹幾個會造成鋰電池「爆炸」的原理。

爆炸自燃的起點:內部短路與外部短路

所謂的短路(Short circuit)主要指電路中有電位差的兩個節點以極低電阻的元件(像是一般的導線)相連;或者換句話說,應該要做好絕緣的兩個點互相接觸了。短路會造成電路中瞬間出現非常大的電流,大電流所釋放出的能量,除了可能燒壞線路、引爆火花,也會讓電池在極短的時間內過度放電,釋放出大量熱能提高電池溫度。

鋰電池短路可大致分為「外部短路」與「內部短路」兩種。所謂的「外部短路」,就是鋰電池的外部正負極之間,有絕緣不良或設計問題,讓正負極以低阻抗的情況下連接發生短路。而錯誤的使用方式、或是損壞的電器連接電池等風險較高的情境,也有可能造成電池短路。

「內部短路」則通常是由於電池設計不良、品質缺陷、過充過放、不當加熱、外部壓力影響結構等因素,造成電芯內的隔離膜受損,兩極直接接觸而出現短路。如開頭提到的三星 Note 7 的電池,就是出現了內部短路。

鋰電池短路會怎樣呢?短路會讓電池在很短的時間內放出很大的電流,因而大量放熱產生高溫,這樣的高溫會破壞電池內部,繼而出現更劇烈的化學反應。

那遇到高溫、熱到不行的鋰電池會發生什麼事呢?

高溫:鋰電池的熱失控連鎖反應

一般來說,鋰電池在使用上有合適的溫度範圍,建議溫度為攝氏 0 度到 45 度,且不可以靠近火源。這也是為什麼,在旅行時也應該要將鋰電池放在隨身行李,讓鋰電池跟著你走,避免將鋰電池放在潛在有可能高溫的飛機貨艙或是車輛的行李艙中。

就像前面所提及的,鋰電池的充放電都屬於化學反應,本身就會放熱,而溫度越高化學反應速度會越快。因此高溫下,電池內部會產生一連串的連鎖反應,持續產生熱,如果無法散熱就會形成熱失控 (Thermal Runaway),累積的熱最終會可能會導致電池起火。

但是鋰電池為什麼這麼容易燒起來呢?爆炸又是怎麼來的?

成分易燃:有機成分在高溫下不穩定

鋰電池的主要組成如電解液、隔離膜為有機成分,本身就屬於易燃物質。再者,高溫下的鋰電池除了會發生「熱失控」持續加速反應與提高溫度,材料本身也會反應分解出易燃的氣體。如果電池沒有排氣、降溫的設計,遭遇到高溫或短路時,就可能起火燃燒、甚至爆炸。所以為了安全起見,使用有鋰電池的電器時,要記得遵守原始的使用設計、不要隨便更動電器的設計或使用方式;環境中有造成高溫火爐或暖爐等,也要記得避開,就可以更安全。

鋰電池的應用方式不同,安全措施也需要隨之調整。如電動車跟儲能系統中,會使用成千上萬顆鋰電池,當每顆電池都有安全風險時,如何不讓鞭炮般連續爆炸的連鎖效應發生,是未來系統設計的重點。

有安全認證才認真安全

作為使用者,該如何享受鋰電池的便利,同時確保自身安全呢?

遵守鋰電池的使用規範是首要條件:例如要在適合的溫度內使用,不接近高溫或有火源的環境。使用電器產品保持謹慎,電池出現如膨起等異常就立即停止使用。

如果購買的產品經過認證,內置的鋰電池設計妥善,且使用時遵守相關規範,就可以把「爆炸自燃」的可能性降到非常非常低囉。

話說回來,又是誰在幫鋰電池進行安全認證,替鋰電池的使用者把關呢?

泛科學採訪了全球產品安全認證機構 UL,他們位在新北市林口/龜山的實驗室 ,正擔負起替各種商品的安全性把關的重責大任。UL 目前已發展超過 1,400 種安全標準,每年評估超過 2 萬多類的產品,幾乎涉及到所有你想得到的商品,當然也包括了鋰電池。

UL有個測試研發單位,其重要工作就是研究鋰電池的各種失效方式。過往較受矚目的任務,包括受託調查三星及波音 787 發生的電池問題。針對鋰電池的安全性, UL 研發實驗室除了會以儀器分析,掃描其物理結構,也會在不同的條件下測試電池的充放電,以逆向工程的方式,拆卸分解,找出鋰電池的弱點。

此外,實驗室為了洞悉不同鋰電池產品的「失效模式」,會用實驗模擬,甚至如針刺的物理破壞方式「讓它爆看看」,藉此收集各種會讓電池「失效」的相關資訊,提供後續針對失效模式的設計建議。現階段,由於材料的設計與限制,不存在「完全安全」、不會爆炸的鋰電池,但可以放心的是,這世界存在著經過檢驗與設計、安全性較高的產品,以及較為安全的使用方式。

未來在購買相關產品時,我們除了關心性能、售價等因素,不妨多注意注意鋰電池是不是經過安全認證,為這美好的科技世界獻上祝福吧!

 

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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跨越五十年的醣化學之旅——翁啟惠院長專訪
研之有物│中央研究院_96
・2022/11/19 ・7078字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

台灣知名科學家:翁啟惠院長

如果問民眾「臺灣有哪些知名的科學家?」翁啟惠肯定是經常出現的答案。翁啟惠是國際知名醣化學家,曾擔任兩屆中央研究院院長,任期內積極將基礎科學與生醫產業串連起來。另一方面,翁啟惠也是投身研究 50 年的資深學者與好老師,共培養超過 500 位優秀弟子;他同時也是中研院、美國國家科學院的院士,更獲得沃爾夫化學獎、威爾許化學獎、四面體化學獎等榮譽。中研院「研之有物」專訪院內基因體研究中心合聘特聘研究員翁啟惠院士,向讀者介紹他一路走來的心路歷程。

圖│研之有物(資料來源|翁啟惠)

從臺大、中研院到 MIT的化學之旅

翁啟惠學術能量依舊飽滿,他是斯克里普斯研究院(Scripps Research)與中研院合聘的研究人員,兩邊各自都有實驗室和學生,受訪當天他本人在美國加州,透過視訊與「研之有物」團隊連線。

至今已 74 歲的醣化學大師翁啟惠,他是嘉義出生的子弟,初中考上臺南一中,高中三年級本已保送清華大學化學系,不過因為想挑戰臺大醫學系而赴考,可惜生物不好,加上自己喜歡化學,便進了第二志願臺大農業化學系。大學畢業,退伍後他隨即投身於科學研究,算算日子,已經是漫長的 50 年時光。

翁啟惠原本就喜歡研究,他退伍後跟著恩師臺大化學系王光燦教授擔任助教一年後,再跟王教授來到中研院擔任助理,當時(1972 年)正值中研院生物化學研究所草創時期。後來翁啟惠升任「助理研究員」(類似大學的講師,目前已無此職位),前後服務長達 8 年,期間於 1977 年在職獲得碩士學位,碩論主要為臺灣蛇毒蛋白的合成,是翁啟惠多年來的研究成果。

王光燦(左)帶領翁啟惠(右)進入化學的研究殿堂,圖為 1999 年王光燦的退休餐會上,翁啟惠贈與恩師紀念品。
圖│翁啟惠

儘管翁啟惠出國前已發表超過 30 篇論文,小有所成,他依然希望更上層樓,因此 1979 年前往美國的麻省理工學院深造,接受恩師化學系教授喬治·懷特賽茲(George M. Whitesides)的指導。翁啟惠回憶,自己後來教育學生的理念與作法,多源自懷特賽茲的啟發。具備相當基礎之下,翁啟惠花費 3 年取得有機化學博士學位,又經歷 1 年哈佛大學的博士後研究,1983 年他就成為德州農工大學(Texas A&M University)的助理教授。

冷門且困難的「醣化學」

翁啟惠擅長的領域是「酵素化學」與「醣化學」,醣化學是什麼呢?翁啟惠解釋,維繫生命的蛋白質、核酸、脂質、醣類這些物質,以醣類最為複雜。除了材料化學的應用之外,翁啟惠選擇探索醣分子在生物醫學方面的應用。

醣類的結構變化多端,而且不容易人工合成。而翁啟惠的過人之處,正是出色的醣類合成能力!後來讓他奠定宗師地位的一鍋式酵素合成法程式化一鍋合成法醣晶片,到最近的廣效去醣化疫苗等研究主題,都歸功於他堅強的化學合成基礎。

我們已經知道翁啟惠是醣化學的先驅,不過其實到博士畢業前,他大部分仍著重於蛋白質的合成,直到獨當一面後,才正式投身醣類。因為在當時的學界,核酸、蛋白質才是顯學,醣化學是非常冷門的領域,即便今日也不算太熱門,更是難以想像應用於研究疾病。

因此,翁啟惠早期在美國當助理教授時,曾經無法申請到研究經費,甚至有計畫評審認為他誤入歧途,所幸他的前瞻理念於 1986 年受到美國總統年青化學家獎(Presidential Young Investigator in Chemistry)的賞識,支持他站穩腳步,1987 年升任教授,才有後來的持續突破。

使用「酵素」來合成醣類

過去醣類研究不但冷門,而且難以合成,翁啟惠為什麼有勇氣選擇如此困難的題材?他的信心來自「酵素」 ,也就是生物用來催化反應的特殊蛋白質。傳統化學手段難以合成的複雜產物,有機會利用酵素來克服。

翁啟惠提到,1970 年代分子生物學興起,新問世的基因改造潛力無窮,人造胰島素開啟生技產業的濫觴;但是 1980 年代時,化學家多半仍很少接觸基因重組技術。他算是首波使用基因重組酵素,實現醣分子的化學合成。

翁啟惠強調,很多新聞報導說他是生物醫學或生物科技專家,但其實他本質上一直是化學家,探索分子層次的操作,研究醣分子與醣蛋白的有機合成,只是醣化學研究的應用涉及生物醫學領域,介於化學和生物的交界。

做出過人成績後,翁啟惠成為各大研究機構爭邀合作的化學人才,本來預備前往加州的史丹佛大學。不過同樣在加州的斯克里普斯研究院(Scripps Research)半途冒出,院長勒納(Richer Lerner)親自邀請他過去瞧瞧。當時擅長生醫的 Scripps 想拓展至化學領域,正在招募人才,而涉足生物的化學專家翁啟惠正是合適人選。

Scripps 研究院是世界最好的研究機構之一,只收博士生,不僅有多位諾貝爾獎得主,更培育出不計其數的人才。翁啟惠回憶,他原本也對 Scripps 研究院不熟,Scripps 當時還沒有化學部門,但沒想到相談甚歡,1989 年他受邀擔任新成立的化學系講座教授,一做就做到 2006 年。現在,Scripps 研究院在化學生物領域是全美第一。

圖│翁啟惠

Scripps 研究院不僅環境怡人,學術資源也豐沛,讓翁啟惠能專注研究,而不必為經費擔憂。如今,他再度成為 Scripps 研究院的講座教授(Chair Professor),美國講座教授會有一筆來自民間的捐助基金,有充裕的學術資源可供自由運用。翁啟惠感慨地說,臺灣的學術捐款多為建造大樓等硬體,可是支持人才更重要, 這是未來臺灣值得學習的方向。

醣化學原本是乏人問津的領域,然而翁啟惠開創了醣分子的有機合成方法,讓醣化學逐漸受到重視,他也獲得一系列耀眼成就。翁啟惠 2002 年當選美國國家科學院的院士,接著又榮獲多項化學領域的一級大獎:2014 年得到沃爾夫獎(The Wolf Prize),2021 年是威爾許獎(Welch Award),2022 年又獲頒四面體獎(Tetrahedron Prize)。

翁啟惠近年在化學領域不斷獲獎,也讓許多人好奇,再來會是諾貝爾化學獎嗎?

對於這個問題,翁啟惠認為可遇不可求,得獎也講究機運。不過每次獲獎,他都覺得是很好的鼓勵,激勵他繼續往前走。更重要的是,翁啟惠不是單打獨鬥,每次獎項表揚的成就,背後都是整個團隊的努力,因此這些榮譽正是對他整個團隊的肯定。

教師之夢:遍布全世界的學生

說到培養人才,這也是翁啟惠的強項,可惜過去媒體報導翁啟惠時卻很少觸及教育。談論如何作育英才的心得,翁啟惠眼睛炯炯有神,隔著太平洋都能感受到湧出螢幕的教育熱情。

翁啟惠表示他小學時就想當老師,也是一輩子的志願。看到學生有成就,就會覺得很欣慰。他至今指導過的學生與博士後超過 500 位,遍及世界各地,包含美國、日本、韓國、英國、法國、德國、比利時等國家。儘管他自嘲也不是全世界都有,像是北韓就沒有學生。

翁啟惠對教學的想法,奠基於博士班老師懷特賽茲和自己長年的實踐經驗。談到臺灣學生,他特別指出必須加強兩點訓練:獨立思考與表達能力

表達為什麼重要?試想,一個人花費多年辛苦取得學位,去應徵工作,卻只有幾分鐘能夠展現。善於表達,才能讓人覺得你的工作重要,呈現意圖以實現目標。而翁老師的第一課,總是在他與學生第一次碰面立刻開始:「為什麼找我當指導教授?」。給他滿意的回答,才能成為他的學生,成績並非最優先的考量。

翁啟惠(左1)對教學的想法,奠基於博士班老師懷特賽茲(右1)和自己長年的實踐經驗。談到臺灣學生,他特別指出必須加強兩點訓練:獨立思考與表達能力。
圖│翁啟惠

培養學生獨立思考與研究的能力

翁啟惠的指導理念是「指示不要太詳細」,讓學生自己想問題、找資料、設計實驗。他只負責給大方向、從旁協助。因為講的太過具體,反而會限制學生獨立發展的空間。

翁啟惠更精闢地剖析: 由學生獨立完成的成果,才會認為是自己的成績。否則即使成果再好,學生也可能覺得那是老師的東西,不是自己的成就。當學生獲得成功經驗,對自己有信心,此後便能更加獨立,建立正向循環。

另一方面,由於學生有大片空白可以填補,所以想法和能力不會受到過去積習所影響。翁啟惠提到,他有很多超乎預期的重要研究,是來自學生自己的嘗試。例如,研發出自動化一鍋式合成醣分子的歐曼(Ian Ollmann),原本在博士班四年級仍苦無突破,翁啟惠建議他發揮寫程式的專長,果然順利完成發表,後來甚至還轉戰高科技龍頭蘋果公司,至今已工作超過 20 年。

不過,讓學生自己摸索,失敗怎麼辦?翁啟惠認為失敗為成功之基礎,學生經歷失敗,才能培養耐心,累積應付挫折的經驗,打下未來成功的基礎。做研究的關鍵在於興趣,只要保持興趣,失敗也能學到新東西,而成功則能增強信心,有利於繼續成功。翁啟惠也鼓勵學生,與其等待老師指導,不如勇於嘗試、放手去做。

程式化一鍋多醣合成技術示意圖。
圖│研之有物(資料來源|中研院基因體中心資訊組)

研究院院長時期:積極推動產學交流與合作

翁啟惠任職 Scripps 研究院的期間,茁壯為世界第一流學者,各國爭相合作。如此耀眼的旅外人才,自然也受到當時中研院院長李遠哲賞識,促成翁啟惠於 2003 年回到臺灣,並在 2006 年到 2016 年擔任了兩屆院長。

翁啟惠除了提升中研院的學術水準,他最重要的任務莫過於推動生物科技產業。因為翁啟惠認為產學互利共生很重要,有好的產業才能吸收廣泛的人才,例如臺灣的半導體產業,可以讓理工科系學生不愁出路,產生正向循環。

但另一方面,生物科技已成為各個科技大國的明星產業,臺灣每年有大批醫藥、生技的人才,卻沒有相應規模的產業,無法人盡其才。

為了推動生技產業,法規制度與產學合作園區都不可或缺。翁啟惠參考美國 1980 年的拜杜法案(Bayh-Dole Act),與專家合作完成臺灣版本的法規,將產學合作、技術轉移制度化。

法規的主要精神,就是由政府補助學術研究,做出初步成果後,再技術轉移給業者尋求商業化,後續再回饋給學術形成正向循環。園區方面,國家生技研究園區、中研院南部院區,都隨著翁啟惠的規劃步上軌道,讓基礎研究和產業創新能夠連結。

當然,產學間的轉換並不總是那麼順利。不過翁啟惠認為,如果學者發表的論文成果,同時也能促進產業,讓社會一同受益更好。這倒不是說所有學者都要投入產學合作,而是要慢慢建立起產學合作的文化,將研發成果回饋給社會。

往好處看,臺灣的生技產業與產值都持續進步中,而這條路依然任重而道遠。

產學合作的新潛力

翁啟惠是純學術研究出身,為什麼後來卻相當熟悉產學合作呢?時光要回溯到 1985 年。那時翁啟惠獲頒席艾勒學者生物醫學獎(Searle Scholar Award in Biomedical Sciences)——這是他少數獲得的生醫獎項之一,加上總統年青化學家獎,使他在美國學術界站穩腳步,也讓他有擔任企業顧問的機會。

從杜邦公司開始,初出茅廬的翁啟惠自認什麼都不懂,跟著前輩們邊看邊學,解決一家又一家企業的疑難雜症,而業界的顧問經驗同時也支持著自己想做的研究。翁啟惠逐漸累積產業經驗後,發現產學目標很不一樣,學者要優先發表論文,企業則是產品導向,講究解決問題。

訪談之中,翁啟惠回顧幾件很有意思的顧問經驗。例如,有公司希望解決可樂中代糖「阿斯巴甜」(Aspartame)在高溫下產生甲醇毒素的問題。也有公司想要改良汽車外層鍍膜,避免鳥糞腐蝕。

另外還有一個香菸公司的邀請讓翁啟惠印象深刻,那時很多重度菸癮者抽到頭痛,產品只能先緊急下架,菸商損失慘重;後來查明是製菸的紙漿中存在微量有害物質,若短時間抽很多根菸,大量攝取下會有立即危害。

這些顧問工作,很多都和翁啟惠醣化學的本業無關,卻帶給他開闊的視野與企業經驗。我們也可以注意到,美國政府與產業界相當有心培育有潛力的人才,即便尚無業界經驗,也願意讓新人去嘗試擔任顧問。

翁啟惠提到,美國東岸的新英格蘭周邊,是產業歷史最悠久的地區,也分佈許多老牌大企業;西岸的加州則不同,主要是新創小公司。不同地方各有特色,衍生出多變的產學文化。

相比之下,臺灣也具備潛力,就看經營出什麼文化。翁啟惠認為,我們已經建立民主自由的社會,若要更上層樓,臺灣萬萬不可孤立,要主動與國際交流,並發展自己的特色。

有交流,創意的火花才有可能碰撞,或許那個坐在你隔壁的人,就是未來的合作夥伴!翁啟惠提到,總部位於加州聖地牙哥,以基因定序闖出名號,至今仍蓬勃發展的因美納(Illumina)公司,其共同創辦人沃特(David Walt),正是他在麻省理工學院實驗室的同儕!有次邀請沃特到 Scripps 演講,剛好聽眾中有兩位感興趣的投資者,演講結束之後,沃特便與兩位投資者私下討論,就創辦了 Illumina 公司。

醣無所不在!未解的謎題還等著研究

儘管投身學術研究 50 年,醣化學將近 40 年,翁啟惠絲毫沒有停下腳步的意思。當訪問到「醣化學還有什麼潛力?」,一如談教育時的熱情,翁啟惠又展現出科學家對研究的熱愛。

在翁啟惠眼中,醣類有太多謎團等待解答。生物基因以 DNA 承載遺傳訊息,製作蛋白質行使功能,但是時常還要加上醣的參與,偏偏醣類不像核酸、蛋白質容易摸索。醣分子無法複製,只能用化學合成,細胞表面佈滿的醣分子結構不對,功能就不同。

以抗體為例,抗體是一種醣蛋白,我們知道抗體靠著專一性辨識去附著目標,消滅病毒。相對卻少有人意識到,抗體的一端附著目標後,另一端還要連接免疫細胞轉入後續反應才能消滅病毒,這步正是依靠醣分子,因此醣類會影響抗體的免疫功能

相對的,病毒需要依賴宿主細胞以便大量複製。不同細胞會賦予蛋白質產物不同的醣化修飾。研究發現即使遺傳物質相同的病毒,假如病毒外頭的醣化修飾不同,也會影響感染能力及免疫反應。由上呼吸道細胞產生的新冠病毒,感染力就比其他細胞更強。

對於開發疫苗,翁啟惠近年投入不少心血。疫苗刺激產生的抗體講究專一性,研發者要想辦法針對病毒結構來調整抗體及 T 細胞反應。翁啟惠與研究團隊的思路卻是另闢蹊徑,並非將病毒露出來的表面設為目標,而是要去掉病毒外層的「醣」衣,也就是「去醣化疫苗」。

因為病毒暴露在外的部分會持續改變,躲避特定抗體,但是被醣基包裹的位置不太會變,或許是人體免疫記憶更好的訓練對象。以此概念製成的蛋白質或 mRNA 疫苗,若是成功,便有機會成為所謂的「廣效疫苗」,接種一款疫苗就能應付病毒的多型變化,特別是難纏多變的流感病毒、冠狀病毒(例如 SARS-CoV-2)。

新冠病毒(SARS-CoV-2)的棘蛋白上面有醣化修飾(標示為橘色),醣基包裹的位置不太容易突變,因此去除表面的醣化修飾之後,可以進一步製成廣效疫苗。
圖│研之有物(資料來源|翁啟惠、中研院基因體中心)

除此之外,翁啟惠團隊也持續開發廣效癌症疫苗。用抗體對付癌症的想法十分誘人,其難處在於,疫苗刺激產生抗體,辨識外來入侵的異物加以攻擊;但是癌細胞是人體細胞變異産生,上頭存在的成分正常細胞常常也有,設定癌細胞打擊,反而會造成自體免疫的悲劇。

好消息是,癌細胞外頭有些醣化修飾,不同於正常細胞。翁啟惠的隊伍尋獲 Globo H 等幾個醣類分子,適合作為疫苗針對的目標。相關技術已經轉移給業者,正在進行第三期人體臨床試驗。這些圍繞醣分子作文章的創新疫苗令人期待,最終是否能投入實戰,仍有待分曉。

關於醣化學,翁啟惠將持續探究細胞表面醣分子所扮演的角色,以及醣分子和疾病的關係。

給年輕學生的話:「興趣是研究的動力

翁啟惠語重心長地提到,醣化學領域如今的樣貌取決於他們這些開拓者,未來則要看能否引發年輕人的興趣,因為未來是年輕人的。

現今教育強調跨領域,翁啟惠自己無疑也是跨領域的知名化學家,但是他提醒年輕人,跨領域絕對不等於什麼都要學、都要會。基礎還是要打好,跨領域的關鍵是有能力與其他領域的人互動合作。

翁啟惠近期便以國家生技醫療產業策進會會長的角色,積極促進醫界與電子業的對話。因為醫界知道市場需求,但不懂得製造;電子業擅長製造,但是對醫療需求沒有深刻理解。他希望營造合作交流的環境,創造新的可能性。

最後,翁啟惠提醒學生,做研究一定要長期投入,深入鑽研,若是短短幾年就轉換領域,只會愈來愈迷茫。興趣對研究生涯最重要,有興趣才有動力,而興趣的培養則來自日常的自我探索。

翁啟惠建議學生在跨領域之前,基礎還是要打好,而跨領域的關鍵是有能力與其他領域的人互動合作。
圖│翁啟惠
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蠶繭電池是綠能的未來?!
胡中行_96
・2022/08/25 ・2454字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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一襲華美的傳統印度紗麗,在燈光下反射出璀璨的光芒。仔細收縫的布邊,附了一只小標籤,上頭繡著飛蛾般的圖樣。那是印度絲綢標誌組織,授予的真絲證明。[1] 買衣服看布料成份,天經地義。不過,如果有一天市面上販售蠶繭電池,廠商是否也會標榜百分之百純天然蠶絲? 2022 年 8 月的《科學報告》期刊上,二名印度學者詳細解說他們攜手打造蠶繭電池的流程,以及背後的科學原理。[2]

將來蠶繭電池廠商,也可以申請印度絲綢組織的真絲證明嗎?圖/Satish Krishnamurthy on Flickr(CC BY 2.0

蠶繭電池的製作

首先,他們弄來一些印度當地家蠶(Bombyx mori)的繭,攤在陽光下曝曬,以確保裡面沒有活著的蛹。吹掉灰塵後,再把蠶繭儲存在木櫃子裡備用。接著,於 25 毫升的再蒸餾水中,加入 12.5 公克的食鹽(NaCl),然後把蠶繭丟進去浸泡 24 小時。另外,也用雷同的方法,準備分別泡了再蒸餾水和氯化鉀(KCl)水溶液的兩個組別。[2]

(a)每個蠶繭都被切成兩份,做一顆蠶繭電池需要 8 份。[2]

(b)切好的蠶繭內面緊實地套住鋁片;外頭則綑上銅線。鋁是負極;銅為正極。[2]

(c)將組裝好的 8 份蠶繭串起來,放在吹風機和圓底瓶之間。上頭吹熱風;下面供應水蒸氣。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 2)

經過一番測試之後,研究團隊最滿意食鹽水這組的結果,決定再做一個進階版的裝置:他們將蠶繭電池放在熱水壺的壺嘴,並接上 LED 燈泡。熱水大滾,水壺裡冒出來的蒸氣觸發蠶繭電池,燈泡就會發光,像下面影片中看到的模樣。[2] (畫面長寬比例差距過大,建議開全螢幕較方便觀賞。)

安裝了蠶繭電池和 LED 燈的熱水壺。來源:參考資料 2,Supplementary Video S1

蠶繭電池的原理

(a)蠶繭是一層內外結構不對稱的絲質薄膜。圖中黃色代表內面;褐色則為外側。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 9a)

(b)此為蠶繭薄膜切面的局部放大圖。由內(黃色)而外(褐色),蠶繭上面細孔通道的尺寸逐漸變大。[2]這個結構平時的功能,是令水分子和二氧化碳得以快速地排出,但卻只能緩慢地滲入。前者確保蠶繭幾乎防水;後者則避免類溫室效應的發生。[3]

(圖/參考資料 2,Figure 9b)

(c)圓底瓶供應的水蒸氣,被困在細孔通道中。當吹風機為蠶繭加熱,水分子與蠶繭蛋白作用,H3O+ 等電荷載體應運而生。它們會因為通道內外寬窄帶來的水壓不對等,而朝單一方向運動。[2][註]

(圖/參考資料 2,Figure 9c)

(d)鋁和銅基於電負度(electronegativity)不同,也就是吸引電子的能力有所差異,更加劇了方向性移動的效果。[2, 4] 另外,食鹽水能增加電荷載體的濃度,促進蠶繭電池導電的效能。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 9d)

吹風機的熱風與圓底瓶的水蒸氣,讓水分子迅速穿過蠶繭的細孔通道,也就是快速充電的意思。[2] 這個乾溼無限循環的靈感,源自蠶繭所處的自然環境。蠶繭通常吊在樹上,樹葉會給它滋潤的水氣,但陽光又導致水份蒸散,二者不斷改變溫度與濕度。然而,當蠶繭被放在攝氏 5 和 50 度的環境下,裏頭還能分別維持 25 與 34 度。[3] 在調節溫度的過程中,從溫差產生電能,便是熱電效應(thermoelectric effect)的展現。[2, 5] 當溫溼度都極高,充飽電的蠶繭就會用類似腦波的信號,通知蛾該退房了。[2, 3] 這也就是蛻變的現象,具有季節性的原因。[3]

(蠶的一生。圖/Internet Archive Book Images on Flickr(Public Domain))

蠶繭綠電建築

蠶繭電池製作起來雖然事倍功半,但是研究團隊寄予它極高的期望。充電靠水蒸氣;導電用食鹽,二者都是地球上容易採集的資源。因此,他們認為蠶繭電池的前景,必然優於目前市售的儲電或發電裝置。是不是純天然蠶絲不要緊,重點是希望未來能夠人工模仿蠶繭的結構,以生態友善的方式,建造會自體發電的生物聚合建築。如此一來,就能輕易滿足偏遠地區、戰略要地以及其他地方的用電需求。[2]

  

備註

原文專業的說法是,內外寬窄不對稱的細孔通道中,水壓梯度會導致電位差,進而使電荷載體出現方向性的運動。

參考資料

  1. Silk Mark – A Quality Assurance label (Silk Mark Organisation of India, 2017)
  2. Jangir H & Das M. (2022) ‘Designing water vapor fuelled brine-silk cocoon protein bio-battery for a self-lighting kettle and water-vapor panels’. Scientific Reports, 12, 13999.
  3. Tulachan B, Srivastava S, Kusurkar T, et al. (2016) ‘The role of photo-electric properties of silk cocoon membrane in pupal metamorphosis: A natural solar cell’. Scientific Reports, 6, 21915.
  4. 電負度(國立臺灣大學 科學Online,2010)
  5. Chandler DL. (2010) ‘Explained: Thermoelectricity’. Massachusetts Institute of Technology.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。