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氣候變遷、能源廢熱怎麼辦?——專訪國立陽明交通大學材料科學與工程學系吳欣潔教授

科技大觀園_96
・2021/08/04 ・2555字 ・閱讀時間約 5 分鐘

在科技迅速發展的時代,加上溫室效應等因素,用電量逐年攀升,「電」成了人類社會中不可或缺的存在。然而,你知道嗎?各種能源產生的電力,有 60% 以廢熱形式逸散到大氣中,而真的拿來用的大約只有 40%。這些大量的廢熱也造成溫室效應加劇,其中工廠以及車輛引擎為能源廢熱的大宗。「氣候變遷」及「能源需求」兩大議題,逐漸形成彼此相扣的存在,究竟孰輕孰重,能否在這之中尋找一個平衡點,成為現今科學家們亟需解決的難題。

工廠、引擎產生的廢熱會加劇溫室效應。圖/pixabay

小孩子才做選擇,熱電材料:我都要!

「我常看著窗外想著,如果能把這些熱收集起來,拿來發電,是不是就同時能夠解決廢熱和氣候變遷的問題了?」吳欣潔教授說。

現為國立陽明交通大學材料科學與工程學系的吳欣潔教授,是今年 (2021)台灣傑出女科學家第十四屆新秀獎得主,近年來專注研究綠色能源的開發與應用,從熱力學探討至熱電材料。其實,吳教授在大學時主修的是化工,後來轉至研究材料領域。吳欣潔教授說:「我當時想研究綠色能源,甚至有點天馬行空地想找出完全環保的材料來發電,因為希望作對世界有意義的事情。」

因此,吳欣潔教授的實驗室稱作「高效能熱電材料與綠色能源實驗室」,那熱電材料到底是什麼呢?基本上熱電材料是以半導體材料為主,可以讓「熱」和「電」互相轉換,目前「碲化鉍 (Bi2Te3)」與「碲化鉛 (PbTe)」是最常用的兩種熱電材料。而熱電材料究竟是怎麼做到不同能量形式的轉換呢?

遇上溫度差,DoReMeSo~產生電流

首先,熱電材料是如何發電的,如同吳教授實驗室網站的第一行字「Where is a Delta-T, there is an Electricity(哪裏有溫度差,哪裏就有電)」。關鍵就在——「溫差」,我們將P型和N型半導體排列成迴路,再於兩端施加不同溫度,半導體上的電子就會往低溫處跑,電子的濃度不同而形成了電位差,便產生電流,就像瀑布會由高處往低處流,這便是所謂的塞貝克效應 (Seebeck effect),例如太空探測器便是在核反應器周圍貼上熱電元件,且熱電材料為全固態,相當安全,常用的材料系統為碲化鉛 (PbTe)。

那如果我們把發電的原理反過來,將電流通給它,也可以讓半導體電子往同一端跑,電子流動的同時也會帶走熱,進而產生溫差,達到致冷的效果,稱為皮爾特效應 (Peltier effect)。這在民生用品上較為常見,像是有些紅酒櫃便是利用熱電致冷的原理,因此不需要壓縮機,體積也可以縮小許多,常用的材料系統為碲化鉛 (PbTe)為碲化鉍 (Bi2Te3)。

茫茫材料海中能夠遇見你

那我們理解到溫差能夠產生電流後,就從此過著幸福快樂的日子了嗎?當然沒有,有句話說:「理想很豐滿,現實卻很骨感。」

而熱電材料所面臨的現實就是,大家最關心的「轉換效率」,而能夠代表熱電材料轉換效率的數值稱為「ZT 值」,ZT 值若大於 1,表示轉換效率有機會大於 10%。「如果我們想找到 ZT 值高的材料,就要它的導熱差,但導電好,目前多鎖定在半導體材料。」吳欣潔解釋。除此之外,依據塞貝克效應,會在材料的兩端施予溫差,並且期望未來能夠規模化生產,因此必須是具穩定性的材料。且希望熱電材料能夠是一種綠色能源,所以也不能含有會汙染環境的成分。總而言之,細數這些考量及條件後,發現要找到適合的熱電材料簡直比找到靈魂伴侶還難!

吳欣潔笑著說:「所以就像找伴侶一樣,先確定你的首要條件,我們做的是綠色能源,所以希望能從環境友善的材料出發。」半導體材料通常是一個母元素再參雜其他微量元素,比如常用的碲化鉛 (PbTe)之中的鉛 Pb 對環境有污染性,尋找其他可替代的發電用無鉛熱電材料,也是目前迫切之議題。

刪去不符合首要條件的元素後,接著要開始尋找適合的材料比例,吳教授的實驗室採用的方法是「相圖(phase diagram)」,它就像是材料界中的 google map,相圖可以告訴我們對這個材料而言,最好的組成配比是什麼,哪個區間的 ZT 值可能最高,哪裡的狀態最穩定。然而,要製作出一張相圖需要耗費的時間與人力成本十分可觀,但相圖資料庫的累積卻對未來材料科學的發展有很大的幫助,因此吳欣潔也希望,之後可以和人工智慧結合,加速數據的分析以及材料系統的研究。

基本的相圖可以告訴我們在不同的溫度與壓力時,材料的狀態變化。本圖為水的相圖。文中的相圖會再融入不同材料混合後的狀態。圖/wikipedia

用熱發電行不行?熱電材料的未來發展

吳欣潔也提及,熱電材料的研究需要跨領域的專業,例如化工、物理、電機、製成等,台灣在 2019 年成立了台灣熱電學會,希望能夠推廣熱電相關學術研究在台灣的普及,提升基礎研究與產業界的交流。

關於熱電材料未來的發展,吳教授表示,未來若能將環境中大量的廢熱回收,就能大幅度減緩溫室效應及能源耗竭的問題。在民生用途上,或許能夠在穿戴式裝置安裝熱電元件,利用人體體溫及環境的溫差來發電。

利用熱電材料製作的穿戴式智慧恆溫貼片。圖/UC San Diego

此外,吳教授說,台灣在熱電材料領域有一定的優勢,例如環境上我們有地熱溫泉,而她也認為台灣的學生相當聰明且基礎訓練佳,適合進行前端研究。在「找材料比找伴侶還難」的熱電材料領域進行研究,或許會遇到很多瓶頸,但吳教授卻說:「做研究的每天都有挫折,每天都有不盡人意的事情,但我覺得重點是從甚麼角度看待,保持樂觀、彈性的態度,就會覺得每一天都有新的發現。」

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科技大觀園_96
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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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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)。臉書:荒誕遊牧。