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要電子產品輕薄、方便攜帶?那就印在紙上吧!

活躍星系核_96
・2021/02/02 ・2351字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

文/黃湘娟、劉若愉、蔡宜臻|國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學課程學生

嫌電路板太厚?把電⼦元件印在紙上

近年來,電⼦學領域在新材料與新製程上突⾶猛進,把許多過去無法想像的應⽤變 成可能,例如:穿戴式電⼦裝置、可彎曲且活動性佳的電⼦元件、體積極⼩的積體電路……等,因此對於電⼦元件基質的要求,也逐漸往重量輕易塑形厚度薄等⽅向發展。

⽽⼈類歷史上最古⽼的材料之⼀:紙,恰好完美地滿⾜以上條件!

紙張符合重量輕易塑形厚度薄的條件。圖/Pexels

以紙作為基質的電⼦產品,不但擁有優異的靈活性相對⼤的表⾯積—質量比,甚 至還有原料便宜且易取得、製作技術易掌握、製程中排放有毒物質少等優點,廢棄後的元件也容易進⾏回收處理,對環境更加友善。因此,在注重永續發展的今天,越來越多研究者開始投入紙基電⼦產品的開發。

然⽽要將複雜的電路印在薄且脆弱的紙上⼀點也不容易,若電路本身使⽤的材料過於厚重,不但對塗層技術是很⼤的挑戰,也很難製作出耐⽤的電⼦元件。於是科學家們便把腦筋動到了⼆⼗⼀世紀興起的新材料 ——⼆維材料上

什麼是⼆維材料?

所謂的⼆維材料僅由⼀層原⼦或化合物組成,單層厚度通常⼩於數奈⽶,層與層之間只以非定向的凡德瓦⼒連結,相較於化學鍵與水分子間存在的氫鍵等都微弱得多,導致層與層間相對容易滑動、分離,因此又稱為凡德瓦材料。現今的⼆維材料,除了最早發現的⽯墨烯以外,還有其他多樣的族群,像是過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs)、六⽅氮化硼、⿊磷等等。

⼆維材料不但僅有原⼦等級的厚度,也具有極⾼的柔軟度、可調控的電性,更特別的是,在過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs) 中,可藉由改變組成、厚度與應⼒等調控能隙 (bandgap) 間距,因此,二維材料的可塑性與輕薄特性,讓他成為紙基電子元件塗料的不二人選。

現今⼆維材料的主要種類:六⽅氮化硼 (h-BN)、過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs)、⽯墨烯 (graphene)、⿊磷 (BP)、過渡⾦屬碳氮化物 (MXenes) 等。圖/參考文獻 1

以紙為基質的二維電晶體,製造也是用印的嗎?

如果將電⼦元件以紙基型態⽣產,元件性能很容易被紙張易於潮濕的特性影響,再 加上紙張的耐熱度不佳,所以紙基電⼦元件⼀直很難以⼯業製程等級製造。

MoS2 是屬於過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs) 的其中一種二維材料,作為場效電晶體有著良好的電學與光學表現,但經由溶液處理的 MoS2 場效電晶體的⽣產過程中,包含酸液洗滌以及 200°C 以上的退⽕處理,而前段提及的紙張特性,顯然無法承受這兩道製程。所以若想要將場效電晶體以紙基⽅式⽣產,勢必得另闢蹊徑。

於是科學家們想出了⼀個新的⽅法:通道陣列 (Channel Array)。這個⽅法結合了 兩種已知的技術:化學氣相沉積 (CVD) 以及噴墨印刷

所謂化學氣相沉積技術,也就是指將兩種或兩種以上的氣態原物料導入到⼀個反應室內,使之產⽣化學反應,形成⼀種新的物料,並沉積到晶⽚表⾯上。透過化學氣相沉積,就可以⽣產出⾼品質的 MoS2 通道;⽽噴墨印刷使製作者在電路設計上擁有很⼤的⾃由度。通道陣列既不⽤經過酸液洗滌不需要⾼溫處理,顯然更適合應⽤在紙上。

以化學氣相沉積法製作 MoS2通道,並將通道轉移到紙上。圖/參考資料 2

⾸先,以化學氣相沉積技術在基板上⽣成 MoS2,然後⽤化學物質將 MoS2 蝕刻成條帶狀,接著將條帶狀 MoS2 轉移到紙張上,作為電晶體的通道。⽽電路所需要的其他元件,可以透過含有⼆維材料的墨⽔,以噴墨技術在已布置 MoS2 通道的紙上印刷。

研究結果指出,透過通道陣列⽅法製造出的紙基場效電晶體,與⼀般⽅法製作的場效電晶體有著不相上下,甚至更優秀的電⼦移動率,以及微乎其微的漏電和良好的電流開關比。而這些結果代表著,紙基場效電晶體對電流的調控能力相當出色

在紙張上⽤含有⼆維材料之墨⽔,以噴墨印刷技術列印電路元件。圖/參考資料 2

此外,科學家們設計了更複雜的電路,比如:數位和類比積體電路模塊、邏輯閘 以及電流鏡等,來測試通道陣列的應⽤廣度,而電路運作良好,顯⽰通道陣列對於多元應⽤的可⾏性。 

更重要的是,化學氣相沉積以及噴墨印刷都適合⼤⾯積製造,所以將此兩種技術結合的通道陣列⽅法,有極⾼機會應⽤於⼯業製程。

紙基電子產品發展,讓生活更輕便環保

待未來技術成熟時,不論從類比電路到數位電路,下⼀代「紙上」電⼦產品上都具有巨⼤的潛⼒,不只在相關的科學與科技領域中⽴下⼀個新的⾥程碑,在友善環境上,更是有大幅的躍進。

總⽽⾔之,透過新的通道陣列技術,以及⼈們對環保的追求,以紙作為基質的電⼦產品,往後的⽇⼦將⼤放異彩,就讓我們拭⽬以待吧!

致謝

本⽂源⾃於國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學之課程報告,感謝朱⼠維教授與程暐瀅助教的建議與協助。

參考資料

  1. Dong, Z., Xu, H., Liang, F., Luo, C., Wang, C., Cao, Z.-Y., Chen, X.-J., Zhang, J., & Wu, X. (2018). Raman Characterization on Two-Dimensional Materials-Based Thermoelectricity. Molecules, 24(1), 88.
  2. Conti, S., Pimpolari, L., Calabrese, G. et al. Low-voltage 2D materials-based printed field effect transistors for integrated digital and analog electronics on paper. Nat Commun 11, 3566 (2020).

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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Paxlovid能有效降低死亡風險嗎?COVID-19口服藥現況

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/17 ・2421字 ・閱讀時間約 5 分鐘
示意圖/envato elements

今年四月台灣宣布將走向「重症清零,輕症管控」:非放任病毒肆虐式「與病毒共存」(living with covid-19) 的控管疫情策略。 若需要達到「重症清零,輕症管控」的目標,醫療人員的支援與 COVID-19 藥物的使用,將是關鍵手段,對於感染後容易導致重症的個案,也需要有抗病毒藥物來治療或預防惡化

目前有哪些治療新冠肺癌的藥物?

目前首度獲得美國 FDA 許可的抗新冠藥物「Remdesivir」 (瑞德西韋),是透過抑制病毒的 RNA 合成酶達到藥效。美國 FDA 更在近期批准,注射液劑型的 Remdesivir 適用於「出生 28 天及以上、至少 3 公斤」的嬰幼兒染疫患者,成為首款嬰幼兒的新冠療法

然而注射液劑型需要專業的打針技術,並非一般民眾可居家自行使用,因此抗新冠口服藥物的開發,各國一直都很重視。現行已通過美國 FDA 緊急使用授權(EUA)的抗新冠口服藥物,有輝瑞公司研發的「Paxlovid」,以及默克(或稱默沙東)公司研發的「Molnupiravir」(莫納皮拉韋)

而 Paxlovid 是由 Nirmatrelvir(奈瑪特韋)和 Ritonavir(利托那韋)兩種藥物所搭配使用,其中 Nirmatrelvir 主要作用是抑制新冠病毒的 Mpro 蛋白酶活性,進而干擾病毒的複製,達到抗病毒的效果。而 Ritonavir 則是能延長 Nirmatrelvir 在人體內的血中濃度,透過抑制人體內正常酵素 CYP3A4 酵素活性,避免 CYP3A4 快速將 Nirmatrelvir 代謝掉,而失去 Nirmatrelvir 該有的藥效。

這兩個藥物所構成的 Paxlovid 好像一對好夥伴互相協助,成為具有高效力的口服抗新冠藥物

Paxlovid 能有效降低死亡風險?

Paxlovid。圖/ Kches16414 , CC BY-SA 4.0

根據文獻指出,Paxlovid 能降低 COVID-19 感染後的 85-89% 住院或死亡風險,是目前對抗新冠肺炎最佳的選項之一。《新英格蘭醫學期刊》(NEJM)期刊於上個月發表最新 Paxlovid 臨床試驗的研究報告:「Oral Nirmatrelvir for High-Risk, Nonhospitalized Adults with Covid-19」證實,使用 Paxlovid 治療未施打疫苗且有症狀的 Covid-19 患者,能將 Covid-19 的重症風險降低 89%,且藥物的安全性在臨床上可接受,且沒有明顯的安全問題。

不過,此研究個案限於未施打疫苗者,而目前大多數人已經接種過新冠肺炎疫苗,情況略有不同。已有將此藥使用於已施打過疫苗者的研究正進行中,但若在未施打者有幫助,對於施打過疫苗而可能具有部分保護力的人,推測仍應會有治療效果,此研究是在症狀出現三天內給藥得到良好的效果,至於再晚一些時後才給藥,就沒有數據可參考。

但需要注意的是,有在服用其他藥物的患者(如:降血脂、抗腫瘤藥或神經精神藥物等),若服用 Paxlovid 會影響 CYP3A4 的作用,可能也會改變其他藥物的作用效果,若藥物在血中濃度無法被安全控制,往往對病情有負面的影響。因此服用 Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽才能使用,民眾無法自由服用

Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽。圖/envato elements

Molnupiravir 口服藥的表現又是如何?

病毒在複製的過程當中,往往需要大量的核糖核苷(ribonucleoside),作為合成新的病毒所需要的材料。而 Molnupiravir 口服藥,是一種「核糖核苷類似物」,也就是病毒在複製所需要的「冒牌」材料,透過這樣的方式干擾病毒的複製過程,進而阻止病毒的繁殖

Molnupiravir 不會像 Paxlovid 去影響到其他藥物在體內的作用,然而這些核糖核苷類似物在人體細胞進行複製的時候也會使用,所以可能具有誘導基因突變的風險

雖然一般來說,口服 Molnupiravir 的療程只有 5 天,在這樣的時間周期來說,對一般成人造成基因突變的風險是很低。但是,Molnupiravir 對於胎兒或哺乳中的嬰兒,風險就顯得高出許多。所以,Molnupiravir 在默克公司的官方網站有聲明,不建議孕婦及哺乳中的女性服用

此外,根據新英格蘭醫學期刊在今年三月的報告中,發現將 Molnupiravir 用於非住院的新冠患者治療中,僅僅將高危新冠患者的住院和死亡風險降低了 30%,低於早前估計的 50%。

Molnupiravir 不建議孕婦及哺乳中的女性服用。圖/envato elements

「老藥新用」的開發策略

環顧目前的抗新冠藥物,大都是利用「老藥新用」(drug repurposing)的藥物開發策略,才能在這麼短的時間達到如此的成就。「老藥」是指已被核准做為臨床使用的藥物,「新用」則是指由原來已核准的藥物中發現新的適應症用途或是新的用法。

老藥的好處就是其藥物臨床前的數據都已經被建立,其中包含藥理實驗、藥物動力學、代謝途徑、副作用等,這些數據對藥物開發相當重要。

在目前這些新冠藥物中,瑞德西韋一開始是用來開發對抗伊波拉病毒,而 Paxlovid 中的 Nirmatrelvir 原先用以治療愛滋病,此外 Molnupiravir 則是為了治療流感。這樣的成功經驗相信能提供政府與學者參考,期望台灣開發新冠藥物有亮眼的成績,也讓我們未來在對抗 COVID-19 疫情當中有更好的手段。

引用文獻

  1. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  2. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Approves First COVID-19 Treatment for Young Children
  3. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes First Oral Antiviral for Treatment of COVID-19
  4.  Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes Additional Oral Antiviral for Treatment of COVID-19 in Certain Adults
  5. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  6. Cox, Robert M., Josef D. Wolf, and Richard K. Plemper. “Therapeutically administered ribonucleoside analogue MK-4482/EIDD-2801 blocks SARS-CoV-2 transmission in ferrets.” Nature microbiology 6.1 (2021): 11-18.
  7. Jayk Bernal, Angélica, et al. “Molnupiravir for oral treatment of Covid-19 in nonhospitalized patients.” New England Journal of Medicine 386.6 (2022): 509-520.

臨床試驗

  • EPIC-HR: Study of Oral PF-07321332/Ritonavir Compared With Placebo in Nonhospitalized High Risk Adults With COVID-19(NCT04960202

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