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「暫態電子學」:生物相容電子裝置可在體內分解

only-perception
・2012/10/01 ・1697字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

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微小、完全生物相容、能在運作一段時間後,無害地「溶入」其周遭環境的電子裝置,已由 Tufts 大學生醫工程師與伊利諾大學香檳分校的研究者合作研發。

命名為「暫態電子學(transient electronics)」,這種新型的 silk-silicon(絲–矽)裝置,允諾新一代不再需要動手術移除的醫學移植物、環境監測器,以及能成為堆肥而非垃圾的消費性電子產品。

「這些裝置與傳統電子裝置南轅北轍,傳統電子裝置的積體電路被設計成具備長期的物理與電氣穩定性,」Fiorenzo Omenetto 說到。他Tufts 工學院的生醫工程教授,以及一篇論文的資深暨通訊作者,該論文題為<A Physically Transient Form of Silicon Electronics>,於 2012/09/28 發表在當期的 Science 上。

「相較於目前的裝置,暫態電子學提供強健的效能,不過在預先規定的時間內,其環境能將它們完全再吸收(resorb) — 從幾分鐘到幾年,視應用而定,」Omenetto 解釋,「想想看環境優勢:如果手機能夠分解,而非埋在掩埋場內好幾年。」

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這種未來裝置結合了傳統積體電路的東西 — 矽與鎂 — 但屬於超薄形態,接著被封裝到絲蛋白內。

「雖然矽看起來不透水,但它最終將溶於水,」Omenetto 還提到,挑戰在於製造能在數分鐘內分解-而非永久,的電子元件。

由 UIUC 的 John Rogers(另一位資深暨通訊作者)所領導的研究團隊是設計製造超薄彈性電子元件的先驅。只有數十奈米厚,這些微小電路,從電晶體到互連線(interconnects),都能輕易地在少量的水或體液內分解,且被無害地再吸收。在這些尺度下控制材料,使得這些裝置的分解時間得以微調。

裝置分解進一步由一層層的絲蛋白所控制,電子裝置均由其支持與封裝。取自蠶繭,絲蛋白為已知最強韌的材料之一。它也具備完全生物分解性,同時對生物友善(biofriendly),目前已應用於某些醫療用途中。 Omenetto 等人發現如何調整絲的特性,故裝置能在很廣泛的時間間隔內分解。

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研究者透過某種熱裝置的測試,成功地示範這個新平台。該裝置被設計用來監控與防止術後感染(在大鼠模型中示範),同時也創造一部 64 像素的數位相機。

在 Tufts 大學與 Omenetto 合作的包括生醫工程系的研究助理教授與論文共同第一作者 Hu Tao;博士生 Mark A. Brenckle;計畫管理者 Bruce Panilaitis;博士生 Miaomiao Yang 以及 Stern Family 工程教授暨系主任 David L. Kaplan。除了 Tufts 與 UIUC 之外,本論文共同作者也來自首爾大學、西北大學、大連理工大學、Nano Terra(波士頓)以及亞歷桑納大學。

在未來,研究者們展望更複雜的裝置,像是能被即時調整,或回應其環境-例如化學物質、光或壓力的改變。

想知道更多?

暫態電子學是一種新技術,其關鍵特色是它們能被設計成,在受控制的或是可程式的(programmable)情況下,不留痕跡地完全消失。暫態裝置有前途的應用是醫療移植、可分解的環境監控、可堆肥(compostable)消費性裝置等等。

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暫態電子裝置由伊利諾大學、Tufts 大學以及西北大學的研究者所示範,把鎂電極與互連線、氧化鎂閘極與層間介電質(interlayer dielectrics),以及非常薄的矽片,稱為奈米膜,當半導體用。

矽溶解於生物液體中,不過速率如此之緩慢,以至於傳統的矽晶圓要花數百年才能分解。相較之下,奈米膜薄到足以在幾日或幾週內,端視其厚度,於幾滴水內分解。然而,其厚度足以成為高品質的半導體裝置,例如電晶體、二極體等。

矽與鎂都在環境中自然產生,且已在各種醫學移植、藥物傳遞系統中被探索過,然而都是在巨大的結構化形態下。在暫態電子系統中,每種材料的數量遠小於所建議的每日允許量 — 鎂甚至少於綜合維他命裡面的量 — 或甚至少於正常生理濃度。但它足供精密的、具整合功能的電子裝置所用。

「這些等級的材料已在血管內支架、用於傳遞藥物的多孔體(porous bodies)、縫線與其它非電子性醫療應用中被探索過,」 John A. Rogers 表示,他是一位機械科學家以及 U. of I. 工程教授,主持這項研究。「我們設想如何將這些相同的材料以不同方式放在一起,能產生高品質的電子裝置、感應器與電力傳遞系統。」

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這些裝置被封裝在成層的絲蛋白(從蠶繭收集而來)中,溶解並再結晶。透過仔細控制絲蛋白的結晶構造,研究者能夠控制溶解率,故他們能為特定應用,調整暫態裝置的壽命。分解的時間尺度可從幾分鐘到幾天、幾週、幾月,或著有可能,幾年,全看絲的封裝。

資料來源:‘Transient electronics’: Biocompatible electronic devices dissolve in body, environment. Phys.org [September 27, 2012]

轉載自 only perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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來點刺激的研究!吃下這朵蘑菇就可以通靈、戒菸酒還能止痛……?
PanSci_96
・2024/04/11 ・6745字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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有人在討論大麻合法化,那迷幻蘑菇呢?

迷幻蘑菇這個吃了會 chill 的酷東西在國內歸屬於第二級毒品,但全世界用這玩意兒的人可不少。

它不只會出現在墨西哥的通靈體驗,神經科學家也認為它可以用來研究大腦;精神科醫師想看看它對精神疾病的療效;甚至連專門查禁毒品的 CIA,都曾經想要「利用利用」這個好東西! 迷幻蘑菇有多神奇?裡頭的「裸蓋菇素」除了讓你 chill,還有哪些神奇效果?

人類使用迷幻蘑菇已經九千年了?

九千年前就有人在吃迷幻蘑菇?

有歷史學家認為,這類致幻菇早在距今九千年前,就已經是北非原住民愛不釋手的好物,他們甚至還把菇菇們刻到岩畫裡。中美洲則有阿茲特克人當嗑菇代表,嗑的是一種名叫⋯⋯teonanácatl 的東西。我也不會念,反正大概是「眾神之肉」的意思。如今我們知道,當時他們使用的就是墨西哥裸蓋菇。當時人們認為用了它,就可以和神明溝通無礙了。

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中美洲阿茲特克人認為用了墨西哥裸蓋菇,就可以和神明溝通無礙了。
圖|PanSci YouTube

1950 年有人驗證了這件事,真菌學家高登・沃森為了更瞭解墨西哥裸蓋菇的神奇之處,來到墨西哥南部的瓦哈卡州,見證馬薩特克民族的薩滿儀式。之後,沃森的好友亞伯特・霍夫曼從這些墨西哥帶回的菇中,成功萃取出「裸蓋菇素」和「脫磷酸裸蓋菇素」。他們將藥丸送回瓦哈卡,交到了負責執行秘密儀式的巫師莎賓娜手中。1 看到莎賓娜親自服下這顆「仙丹」後回報的體驗,霍夫曼等人大喊「警察杯杯就是它」(逼)——看來古老儀式的通靈效果,八九不離十就是裸蓋菇素在那邊作怪。

不只通靈巫師,連 CIA 也想好好利用迷幻蘑菇!

裸蓋菇素的研究引起了美國中央情報局 CIA 的注意,不過不是因為什麼違法亂紀的問題,而是他們⋯⋯也想「瞭解更多」!1950年代 CIA 有項名為 MK-Ultra 2 的精神控制計畫,希望找到一些可以作為吐真劑、審訊和行為操縱工具的潛力藥物。他們的實驗藥物包括裸蓋菇素、迷幻藥 LSD、嗎啡、海洛因、一種萃取自仙人掌的致幻劑麥斯卡林等,並在監獄、醫院、學校,甚至從巧立名目的慈善基金會裡招募試驗對象。3

結果不試不知道,一試嚇一跳,裸蓋菇素的幻境令許多人為之瘋狂。據傳,曾參與這項實驗的美國歌手羅伯特・亨特曾經這樣點評這個奇幻旅程:「看在上帝的份上,請允許我保持精神錯亂吧。」雖然如此,MK-Ultra 計畫後來還是受到負評居多,畢竟這當中許多藥物都有危害健康的可能性,違反了法律裡的知情同意權之外,也踩了人道底線。

1950年代 CIA 有項名為 MK-Ultra 的精神控制計畫,希望找到一些可以作為吐真劑、審訊和行為操縱工具的潛力藥物。
圖|PanSci YouTube

除了被強迫食用,很多人也「自願」嗑菇?

1960 年代的哈佛大學心理學家蒂莫西・利禮,就在經歷過致幻菇帶來的深刻體驗後,馬上回到哈佛建立「裸蓋菇素計畫」,利用實驗室製作的裸蓋菇素,與團隊夥伴在美國麻州一棟豪宅的客廳裡集體嗑菇。

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利禮不只邀請當時主要的宗教研究者休斯頓・史密斯,以及英國作家奧爾德斯・赫胥黎加入,還前後找來了超過兩百位的受試學生。後來有大半的參與者認為,這不僅是一趟愉快的旅程,還改善了他們的生活。而且,利禮自己也嗑了一些裸蓋菇素,對此他曾解釋,研究者得跟受試者處在相同的精神狀態中,才能在實驗發生的那一刻,理解對方經歷了什麼。嗯⋯⋯真是個好藉口?但有部分人士擔心「研究致幻劑」和「促進娛樂用途」之間的界限被模糊了,也高聲疾呼研究計畫可能變相成為某種群嗑派對⋯⋯欸不是,根本就是啊!後來他與團隊中的學者夥伴,也確實陸續遭到解雇。4

「研究致幻劑」和「促進娛樂用途」之間的界限被模糊了,研究計畫可能變相成為某種群嗑派對⋯⋯
圖|giphy

所以,裸蓋菇素到底真的對身心靈有好處,還是只是讓你 chill 的迷幻藥?別急,先讓我們看看如果接觸到迷幻藥,我們的身體會產生哪些變化。

迷幻蘑菇是毒還是藥?

迷幻藥物有哪些?

除了裸蓋菇素以外,一般所說的致幻劑或迷幻藥物,還有麥角酸二乙醯胺 LSD、仙人掌毒鹼、搖頭丸 MDMA 或大麻等等,它們都能讓人產生幻覺、改變意識、扭曲知覺和情緒。5 這些具有精神活性的物質,能夠穿越血腦屏障、直接作用在中樞神經系統上,改變大腦神經的傳導。6

一般所說的致幻劑或迷幻藥物,除了裸蓋菇素以外,還有麥角酸二乙醯胺 LSD、仙人掌毒鹼、搖頭丸 MDMA 或大麻等等,它們都能讓人產生幻覺、改變意識、扭曲知覺和情緒。
圖|giphy

人們會迷戀致幻劑,通常來自於使用後思想和情緒因而改變的效果,或是體驗到情感與精神上不可名狀的愉悅。於是有些人服用這類藥物,便是為了改善心理狀態,或是緩解疼痛和壓力。

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那麼,吃下裸蓋菇素會有什麼反應呢?

這玩意吃了之後,除了造成精神層面的影響,不少研究都指出在生理方面會導致血壓上升、心率加快、瞳孔放大、視覺扭曲等方面的可能變化,也曾有調查發現,近四分之一的體驗者出現嘔吐和噁心等症狀。緊隨其後的,則是放鬆、暈眩、欣快感和視覺增強等知覺扭曲。美國國家藥物濫用研究所 NIDA 的官方資料則是提到,服用這類致幻劑,人們的行為可能會產生快速波動,比方說從激動好鬥到鎮靜放鬆。聽起來要麼嗨嗨的,要麼就是有點 chill,沒什麼不得了的,但如果劑量沒有把控好,或因為身體條件等因素,也可能會發生心律失常、癲癇、肌肉強直或急性腎功能衰竭等問題 7

為什麼裸蓋菇素能有迷幻的效果?

事實上造成迷幻感的主角並不是裸蓋菇素本人。當裸蓋菇素進到體內,會經過去磷酸化反應後形成「脫磷酸裸蓋菇素」。這個脫磷酸裸蓋菇素能和大腦皮質錐體細胞上的血清素受體 5-HT2A 結合 8,進而阻斷大腦前額葉皮質處、包含預設模式網路在內的諸多神經傳導。這邊提到的預設模式網路指的是一個存在於大腦內的網路,連接了許多區塊。與「自我意識、自我參照、內省」的腦部活動有關,通常在你放空、陷入回憶時,沒有明確任務時,這片網路就會自動開啟。而當你開始處理有目標的重要任務時,這個網路又會關閉。這樣你就知道這個網路為什麼會被稱為「預設模式」。

當裸蓋菇素進到體內,會經過去磷酸化反應後形成「脫磷酸裸蓋菇素」。
圖|PanSci YouTube

預設模式網路過度活躍,可能會導致焦慮。反過來說,當裸蓋菇素降低預設模式網路的活性,就會關閉這種自我反思的內省行為,人們的自我邊界變得模糊,導致一種「自我溶解」的感覺,放大對周圍世界和他人的開放性和連結感。這種自我意識的減弱,可以促使人們突破固有的思考模式和行為模式,使他們能夠從更廣泛、更整體的視角來看待自己和世界!

沒錯,有看過 EVA 一定馬上發現,這不就是人類補完計畫嗎!碇源堂你還造什麼使徒,直接把裸蓋菇素發下去啊!

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迷幻蘑菇的好處?

迷幻蘑菇能帶來好處嗎?

看到這裡,是不是覺得裸蓋菇素除了帶領人類進入超現實的世界,還有⋯⋯通靈之外,似乎沒什麼太大的用處?

事實上,最近幾年陸續有證據指出,在醫療監督下對病患施予裸蓋菇素,用來治療某些精神疾病是有潛力的。比方說,它能改善強迫症患者在情緒、社交、工作與生活品質上的表現 9,也能減輕憂鬱症狀長達兩週的時間 10,甚至對「重度或難治型憂鬱症」也有用。

迷幻蘑菇甚至能反過來解決患者對其他物質的濫用問題。在以裸蓋菇素輔助的心理治療中,酒精成癮患者大量飲酒的天數明顯下降。11 至於菸癮,接受兩到三次中度至高劑量的裸蓋菇素後,老菸槍們居然能戒除菸癮長達十六個月以上。12 更驚人的是,不只有菸酒,服用中高劑量的裸蓋菇素,竟然也有機會減少大麻、鴉片類藥物和興奮劑的用量。13

欸等等,迷幻蘑菇為什麼對戒菸、戒酒有幫助?

研究發現,施用裸蓋菇素也能降低情緒中心杏仁核的活性,促使情緒穩定。更能提升大腦神經可塑性,讓神經網路功能性連接能力變得更強。14 這意味著什麼呢?答案可能就是「靈活」這兩個字。

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明明嗑了迷幻藥的人看起來就超鏘(ㄎㄧㄤ),到底關靈活什麼事?大腦某些高階網路的功能異常,是促成物質濫用的元兇。15 像是執行網路,是由背外側前額葉皮質和頂下迴組成、與「操縱外部資訊」有關,還有警覺網路,是以前額葉皮質和前腦島作為關鍵連接點,負責處理外部刺激和內部訊號、分配注意力資源。16

大腦某些高階網路的功能異常,是促成物質濫用的元兇。
執行網路,是由背外側前額葉皮質和頂下迴組成、與「操縱外部資訊」有關。
圖|PanSci YouTube
警覺網路,是以前額葉皮質和前腦島作為關鍵連接點,負責處理外部刺激和內部訊號、分配注意力資源。
圖|PanSci YouTube

過去有研究發現,裸蓋菇素的使用,能降低這些網路過度活躍的問題,輔助治療物質濫用和憂鬱症。由於這些網路往往有著豐富的 5-HT 受器,加入裸蓋菇素能和這些受器作用,讓大腦任務之間的切換變得更靈活、更不受既有框架的約束。

迷幻蘑菇還能治療許多疾病?

除了精神上的難題,嗑菇還能解決一些生理症狀。主要是疼痛方面的困擾。

例如一旦發作,會出現比一般頭痛更難受,痛到想把頭給砍下來的「叢發性頭痛」。這個叢發性頭痛相當特別,它的痛點通常集中在一側眼眶周圍或顳側,也就是太陽穴附近,還常常伴隨同側眼結膜充血、流鼻水、流淚等等的症狀。而且有別於偏頭痛,叢發性頭痛在休息的時候會顯得更痛,甚至大多數就像設了鬧鐘一樣,會定時發作。17 目前在一個小小的試驗中,研究者就發現,服用裸蓋菇素可以大幅降低這種頭痛的發作頻率。18

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幻肢痛指的是截肢患者明明手臂或腿部被切掉了,卻還是能感覺到「那個部位」隱隱作痛。目前認為這種奇異的疼痛,可能源自大腦頂葉中的初級體感覺皮質區訊息重組出現一些錯誤。
圖|PanSci YouTube

聽起來,迷幻蘑菇還有很多用途等著我們去探索。

而且除了今天提到的故事,還有很多更 ㄎㄧㄤ 的迷幻蘑菇研究故事我們來不及講。例如第一個萃取出裸蓋菇素的霍夫曼,竟然也是 LSD 的發明人。

最後我們也必須提醒,現階段臺灣仍把迷幻蘑菇歸類於第二級毒品,請不要以身試法。

但我們也想問看看,如果迷幻蘑菇合法化了,你會想嘗試看看嗎?

  1. 當然,可以通靈又能放鬆,這麼好的東西我還不嗑爆?
  2. 我非常期待作為慢性疼痛與精神疾病的藥物使用
  3. 先不要好了,我看泛科學的 Shorts 就夠 High 了

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註腳

  1. A Brief History of Magic Mushrooms – How Magic Mushrooms Work | HowStuffWorks ↩︎
  2. MKUltra – Wikipedia ↩︎
  3. The CIA’s Secret Quest For Mind Control: Torture, LSD And A ‘Poisoner In Chief’ : NPR ↩︎
  4. Harvard Psilocybin Project – Wikipedia ↩︎
  5. Hallucinogen – Wikipedia ↩︎
  6. Psychoactive drug – Wikipedia ↩︎
  7. Psilocybin – Wikipedia ↩︎
  8. Vollenweider FX, Smallridge JW. Classic Psychedelic Drugs: Update on Biological Mechanisms. Pharmacopsychiatry. 2022;55(3):121-138. doi:10.1055/a-1721-2914 ↩︎
  9. Single-dose psilocybin for treatment-resistant obsessive-compulsive disorder: A case report – PMC (nih.gov) ↩︎
  10. Single-dose psilocybin-assisted therapy in major depressive disorder: a placebo-controlled, double-blind, randomised clinical trial – eClinicalMedicine (thelancet.com) ↩︎
  11. Percentage of Heavy Drinking Days Following Psilocybin-Assisted Psychotherapy vs Placebo in the Treatment of Adult Patients With Alcohol Use Disorder: A Randomized Clinical Trial | Substance Use and Addiction Medicine | JAMA Psychiatry | JAMA Network ↩︎
  12. Long-term Follow-up of Psilocybin-facilitated Smoking Cessation – PMC (nih.gov) ↩︎
  13. Frontiers | Persisting Reductions in Cannabis, Opioid, and Stimulant Misuse After Naturalistic Psychedelic Use: An Online Survey (frontiersin.org) ↩︎
  14. Emotions and brain function are altered up to one month after a single high dose of psilocybin | Scientific Reports (nature.com) ↩︎
  15. Functional and Structural Alteration of Default Mode, Executive Control, and Salience Networks in Alcohol Use Disorder – PMC (nih.gov) ↩︎
  16. Increased global integration in the brain after psilocybin therapy for depression | Nature Medicine ↩︎
  17. 醫生,我頭痛的想撞牆啊! 談「叢發性頭痛」 (kmuh.org.tw) ↩︎
  18. Can Psilocybin Treat Cluster Headache? | American Migraine Foundation ↩︎

參考資料

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超壓縮的水會變成冰?!二維奈米薄冰能在室溫下穩定存在嗎?有什麼用途?——專訪中研院原分所謝雅萍副研究員
研之有物│中央研究院_96
・2024/03/10 ・4907字 ・閱讀時間約 10 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|張琬婷
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術編輯|蔡宛潔

水能被擠壓成冰?

水在攝氏零度以下會結冰。然而,當水被擠壓到極限時,會形成二維的奈米薄冰,不僅室溫下穩定存在,還有從未見過的鐵電特性(Ferroelectricity),而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員,她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰,以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件,研究成果發表在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

奈米尺度下,物質特性會跟著改變?

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料,這是奈米科技的領域。奈米是什麼?奈米(nanometer)是長度單位,即 10-9 公尺,一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下,很多物質的特性會隨之改變,最常見的例子是「蓮花效應」,因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構,為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性,髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

電腦模擬圖(左)和實際照片(右),蓮葉上密集的微小突起,讓大顆的水珠和灰塵不易附著,這讓蓮葉具有疏水與自我清潔的特性。
圖|William ThielickeGJ Bulte

奈米材料(nanomaterial)是指三維尺寸的材料,至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維,就是平面的二維材料(2D),例如石墨烯;縮小兩個維度,就是奈米線(1D);三維都縮小,就是零維的奈米顆粒(0D)。

奈米科技(nanotechnology)的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼(Richard Feynman)在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢?」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人,他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

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過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發,但受限於製造技術不成熟,而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年,在掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)發明之後,不僅有助於材料的微觀分析,操縱單個原子和分子也成為可能,奈米科技也逐漸實現。

2013 年 IBM 研究人員使用 STM 顯微鏡將上千個一氧化碳分子製作成原子等級的動畫「男孩與他的原子」,目前是金氏世界紀錄最小的定格影片。

無處不在的奈米科技?

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是,從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例:防曬霜之所以是白色,是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒;許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物,來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性,例如汽車鍍膜或奈米光觸媒;羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂,讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業,奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀,以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級,製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」,謝雅萍說道。

IBM 展示 5 奈米技術的矽奈米片電晶體(nanosheet transistors),圖中堆疊起來的一顆顆橢圓形結構是電子通道的截面,IBM 設計立體結構以因應愈來愈小的元件尺寸。
圖|IBM

實驗中的難題,反而促成驚奇發現?

鐵電性是什麼?二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式?

對謝雅萍來說,發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關,畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目,理論上當兩層石墨烯很靠近時,分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態,沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

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然而,實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時,石墨烯開關仍會導通,甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久,嘗試思考了各種可能性,但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目,沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題,因此這個研究比預期多花了一兩年」,謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來,某次謝雅萍在與朋友討論研究時,突然想到一個可能的方向:「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料,但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕,開關關不緊會不會就是水的影響?」

設計實驗跑下去之後,謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來,兩層石墨烯結構中,真的有水分子的存在!「一般水分子用手去捏,還是會維持液體的狀態。但是我們發現,當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時,水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰!」,謝雅萍開心地說道。

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換句話說,當極限擠壓之下,水會結成冰,而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在!

示意圖,當水受到兩層石墨烯的極限擠壓之下,會形成單原子厚度的二維奈米薄冰,這層薄冰是鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在。
圖|之有物(資料來源|謝雅萍)

鐵電材料乍聽之下很抽象,謝雅萍表示:「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料,大多數人對鐵電材料比較不熟悉,其實概念十分相似」。她說,鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後,即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地,鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性,這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列,形成一個永久的電偶極,並且在電場消失後保持不變。

鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷排列方向。圖片顯示為順電狀態,極化方向和外加電場相同,箭頭表示每一小塊區域(Domain)的平均極化方向。
圖|之有物(資料來源|Inorganics

接著,謝雅萍發現,二維冰的鐵電性只存在於單層原子,增加多層原子之後,鐵電性會消失,變成普通的冰,這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰,是非常特殊的固態水,不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定,二維冰可以在室溫下穩定存在,不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現,要升溫到攝氏 80 度,被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度,這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

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於是,謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件,他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性,在施加不同外加電壓之後,元件可以維持上次操作的電阻值,並保留至下次操作,有這種特性的元件稱為「憶阻器」(memristor)。

憶阻器這個詞是由記憶體(memory)與電阻(resistor)組合而成,字面上的解釋便是:具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示:「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值,再以微小電壓讀取之前的電阻值,允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料,具備未來記憶體的發展潛能。

此外,二維冰奈米開關也是很好的開關裝置,團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬,開路和斷路的功能極佳,並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減,相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊,並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進,目前實驗室有和台積電(TSMC)合作,希望透過產學合作,將更多奈米技術的應用落地實現。

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謝雅萍與研究團隊用意外發現的二維奈米薄冰,以石墨烯為架構,做出了全世界第一個機械式的憶阻器。
圖|之有物

與二維材料實驗的相遇?

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員,同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人,她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果,創意與想法的激盪和交流,是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期,謝雅萍都在臺大物理所,鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶:「當時我們都要向化學系要材料,他們給什麼我們就得用什麼,但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到,擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫,讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構,進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好,也可以幫助學生建立重要人脈!」在指導教授引薦下,謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院(MIT)的二維材料實驗室,自此與二維材料結下不解之緣,她認為:「好材料與好元件是相輔相成的,前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後,深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作,然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行,學生之間會互相分享自己的研究內容,互相幫忙思考、激盪出新想法」,謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

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當年二維材料還在萌芽階段,她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者,她也因此立下了目標:「希望未來我有能力時,能夠自己掌控自己的材料做出好元件!」如今,謝雅萍正走在自己目標的道路上,過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人,直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料,身處這些男性為主的學術環境,謝雅萍顯得自在,而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性,讓自己融入整個以男性居多的環境中,才不會在團體中有突兀的感覺」,她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab,是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室,他們除了是工作上的夥伴,更是人生中的最佳拍檔!當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識,再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是:這種共同主持的模式與一般實驗室相比,是否有特別之處?

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「從多個面向而論,我認為都是 1+1>2 的」,謝雅萍說道,「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目,兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻,我們在研究上看的面向也都不一樣,因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充,不僅對實驗室本身而言,對學生也有很大的好處,「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人,代表學生的研究成果會非常扎實,也可以為學生帶來信心。」重要的是,「學生也會得到兩倍的照顧與關愛,我覺得我們的學生是蠻幸福的」,謝雅萍笑笑地說。

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研之有物│中央研究院_96
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【成語科學】抽絲剝繭:尼龍發明前的超耐磨繩材——柞蠶絲!
張之傑_96
・2023/09/13 ・1032字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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中國人是世界上最早養蠶的民族。根據可考的資料,至少有 5000 千年之久,難怪中國又有「絲國」之稱。

蠶是唯一馴化的昆蟲,所以稱為家蠶。人們長期養蠶,自然而然產生了許多和蠶或蠶絲有關的成語,譬如鯨吞蠶食、作繭自縛、抽絲剝繭、破繭而出、一絲不掛等等。讓我選擇「抽絲剝繭」作為樣本,來談談蠶繭和蠶絲吧。

圖/Wikimedia

蠶卵孵化後,吃著桑葉長大。經過三眠或四眠,開始吐絲結繭,把自己裹起來。蠶在繭裡化蛹,羽化後變成蠶蛾。蠶蛾從口中吐出鹼性液體,讓蠶繭一端軟化,就可以破繭而出,飛出去尋找配偶,產生下一代。

蠶結繭時,抬著頭不停地繞著身體吐絲。若非受到干擾,吐的絕不間斷,一根絲竟然長達 500-1000 公尺!人們養蠶的目的,就是為了取得蠶絲。那麼怎麼將蠶繭上的絲抽出來呢?

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抽絲時要把蠶繭放在水裡煮,讓蠶絲間的膠質溶化,然後找出絲頭,才能將每個蠶繭上的絲抽出來,最後只剩下已被煮死的蠶蛹。抽絲時,同時抽取好幾個蠶繭,撚成一股絲線,這個過程稱為繅絲。

蠶繭。圖/Wikimedia

繅絲時,絲得一根一根地抽,繭得一層一層地剝。成語「抽絲剝繭」,比喻由表及裡,細緻地分析,以發掘真相。讓我們造兩個句吧。

這宗刑案,經過警方抽絲剝繭,終於真相大白。

在我抽絲剝繭之下,這道數學難題終於解開了。

家蠶屬於鱗翅目、蠶蛾科。鱗翅目分為蛾類和蝶類兩大類,牠們是完全變態昆蟲,一生分為卵、幼蟲、蛹和成蟲等 4 個階段。蛾類和蝶類有若干差異,包括蛾類的觸鬚呈羽狀,蝶類呈棍棒狀;蛾類大多夜間活動,蝶類大多白晝活動。此外還有一個差異,就是蛾類會結繭;蝶類不結繭,牠們的蛹有個硬殼保護。

由於蛾類會結繭,所以除了家蠶,還有幾種野蠶可養來抽絲。最有名的野蠶是柞蠶,屬於天蠶蛾科,以殼斗科的植物為食。柞蠶起源於中國北方,現已傳播到韓國、日本、印度等地。篦麻蠶,屬於天蠶蛾科,起源於印度,現已傳播到中國、日本及義大利等地。

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這兩種野蠶都採野放的方式,也就是在野外飼養,結繭時到樹上採收。野蠶絲的織品,不如家蠶絲細緻,但堅韌耐磨。尼龍沒發明前,降落傘的繩索就是柞蠶絲製的。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。