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電子顯微鏡可追蹤石墨烯差排結構

NanoScience
・2012/08/03 ・974字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 596 ・九年級

英國與日本研究人員聯手合作,利用穿透式電子顯微鏡以前所未有的解析度追蹤石墨烯(graphene)內的差排(dislocation)結構。此研究有助於科學家更佳瞭解 2 維材料的可塑性(plasticity)以及差排移動如何影響石墨烯的機械性質。

圖片來源:nanotechweb.org

材料因負載而造成的形變程度與方式通常與材料內差排的移動情形有關。雖然科學家們已以高解析穿透式電子顯微鏡(HRTEM)研究過 3 維樣本材料內的差排結構,但對於像石墨烯這種 2 維材料而言,研究其差排是一項更為艱難的挑戰。這是因為電子顯微鏡所使用的高能電子會迅速地破壞石墨烯等奈米碳材的結構。若要避免此類破壞,顯微鏡的電子加速電壓需降至 80 kV。然而,如此低的電子能量會造成顯微鏡球面像差以及色差的增加,因而導致成像模糊以及降低空間解析度。雖然新型電子顯微鏡內建可修正球面像差的硬體設備,但是由於色差效應的存在,此解析度依然不足以讓科學家們能判別石墨烯內單一碳原子的確切位置。

最近,英國牛津(Oxford)大學的 Jamie Warner 研究團隊與日本電子公司(Japan Electron Optics Laboratory)合作發現一個能減少色差效應的新方法。他們使電子探測樣本前先經過一單色儀,此步驟會縮減電子能量範圍並因而有效增進空間解析度。解析度的提升使得該團隊能首次以真實原子級解析度來研究石墨烯內的刃差排(edge dislocation)。刃差排是材料內一種特別的缺陷形式,會造成晶格結構的扭曲。

研究人員亦能測量出差排內碳原子間鍵結長度的伸縮量,並利用一種名為幾何相位分析(geometrical phase analysis, GPA)的影像處理技術繪製出因差排所造成的應變張量(strain tensor)。此外,他們也探討了當差排在晶格內移動時,應力場的變化情形。實驗所得之張力地圖與福爾曼(Foreman)差排模型所預測的理論結果大致相符。

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實驗結果提供一詳細地圖,描述了石墨烯差排內原子的排列情形,並且有助於更加暸解材料的可塑性如何產生。他們最近正研究石墨烯內單一置換雜質(susbstitutional impurity)原子,以及這些原子如何在晶格中造成張力。Warner 補充說明,他們發現僅有數種缺陷結構會穩定存在。他們能在石墨烯中創造出高度無序區域,但在許多情況下,這些區域最終會恢復到原本的晶格狀態。該研究團隊目前正在製作關於碳材料中缺陷與雜質的類別目錄。詳見 Science|DOI: 10.1126/science.1217529。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:劉家銘
原文網址:TEM tracks dislocations in graphene—nanotechweb.org [2012-07-13]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-07-30]

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小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

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規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

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本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

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