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防彈衣跟 T 恤一樣輕?用了蜘蛛絲就可能! ———《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/11 ・1479字 ・閱讀時間約 3 分鐘

在《蜘蛛人》系列電影中,蜘蛛人靠著強韌的蜘蛛絲,不僅可以飛簷走壁,還能當成武器來攻擊敵人、拯救世界;現實世界中,蜘蛛靠著蜘蛛絲捕捉獵物、保護自己……,每一根蜘蛛絲都蘊藏著大千世界的無窮奧妙,一直是科學家相當著迷且亟欲破解的自然界奧祕,可說是相當熱門且歷史最悠久的仿生材料研究主題。

圖/Pixabay

蜘蛛絲擁有極高的強度、延展性及韌性,且重量極輕——如果拿蜘蛛絲環繞地球一圈,所需要用到的蛛絲,總重量還不到 500 公克;最重要的是,對科學家來說,蜘蛛絲是純蛋白質,擁有極高的生物相容性,不易產生人體免疫反應,十分適合開發更加多元的應用,包括:軍事科學、醫療生技、紡織、工業等,是極具發展潛力的智慧生物材料。

事實上,早在十幾年前,工研院生醫工程中心(生醫與醫材研究所前身)便研擬將蛛絲基礎科學研究計畫列為前瞻科技計畫之一,由工研院研究員楊正昌、東海大學生命科學系教授卓逸民與國輻中心研究員許火順等人合作,以同步輻射X 光繞射實驗進行台灣人面蜘蛛絲研究,獲得三大發現:

第一,蛛絲耐熱性高,加熱到攝氏 200 度至 300 度時,蛛絲的奈米晶體才會崩解。

第二,蛛絲的粗細大約是頭髮的十分之一,強韌度卻是同重鋼絲的五倍,彈性是尼龍的三倍。

第三,蛛絲輻射狀的主要骨架稱為拖曳線,拖曳線的絲碰到水,長度會收縮為原本的一半,但更有彈性,能像橡皮筋般拉扯,超越多數人造纖維所能達到的程度。

利用基因工程,可大量生產人造蜘蛛絲蛋白,提供各類應用所需。(圖/楊正昌提供)

蛛絲的強韌關鍵:蛋白奈米晶體

一根蛛絲上同時擁有兩種蛋白奈米晶體,一種是排列整齊的結晶,另一種是不規則的混亂結晶,堅硬的晶體與柔軟的蛋白質體結合形成複合材料,強化了蛛絲的硬度與韌性,甚至使得蛛絲可以吸收巨大衝擊能量,僅需要極微量便能達到防彈效果,讓防彈衣可以做成如 T 恤般輕便,比現行防彈衣材料克維拉(Kevlar)纖維還要輕。

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不過,蜘蛛是肉食動物,無法大量飼養,天然蜘蛛絲受限於產量和製程等因素,產品開發與實際生產仍有不少瓶頸,於是,科學家將蜘蛛絲蛋白基因殖入山羊乳腺細胞、倉鼠、大豆、大腸桿菌或酵母菌的基因,以基因工程方式生產大量蜘蛛絲蛋白,希望開發出比擬天然蛛絲特性的仿生蜘蛛絲。

以台大生科系教授吳亘承為例,他以天然蜘蛛絲纖維做為生醫工程材料,在蛛絲表面重新組裝蛋白質、酵素、抗體等物質,賦予蜘蛛絲纖維嶄新的生物化學功能,應用在動物癌症細胞株純化與分離,並成功將蜘蛛絲蛋白基因殖入大腸桿菌,大量生產蜘蛛絲蛋白,做為各類應用的仿生材料。

高強度纖維已廣泛應用在我們的日常生活,除了碳纖維,芳香族聚醯胺類纖維更因性能優異與形式多樣,成為目前應用最廣、產量最大的纖維,在國防、航太、汽車、能源材料等領域具有不可取代的地位。

譬如,國輻中心研究員莊偉綜、周哲民與遠東新世紀公司合作,開發出新型聚醯胺類纖維材料,具有高強度、質輕、耐高溫且耐化學侵蝕等特質,可以應用在輕航器、大型機具吊掛繩索、海底電纜等項目。

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——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 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|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

降低碳排還不夠,奈米材料幫你直接減少二氧化碳!

氣候變遷問題日益嚴重,2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份,臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標,設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員,他的研究專長是奈米能源材料,我們將介紹一種複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),在太陽光照射下,此材料表面發生的氧化還原反應,會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳?根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據,2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸,而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下,每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤,相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油!

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」,人類活動排放的溫室氣體,已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去,碳排放量可預期將不斷上升,大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示,地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 註 1,否則將有不可逆的後果,例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此,世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標,並不是說都不排碳了,而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消,達到「淨零」的目標。

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要達到淨零的目標,除了尋找與開發減碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下,如果可以像植物一樣,只要照太陽光,就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物,聽起來不錯吧?但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定,要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應?

我們可運用「陽光」與「光催化材料」(又稱光觸媒,photocatalyst),不僅可以減碳,還能產生有價值的碳氫化合物,是一種「一舉兩得」的方法!

光觸媒(光催化)材料是什麼?

在談到光催化材料之前,先複習一下「催化劑」這個概念,催化劑不參與化學反應,但是它讓原先不可能的化學反應變得可行!陳貴賢分享,這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山,經過九彎十八拐的北宜公路;但如今有了「雪山隧道」之後,就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外,催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色!在過去,農作物施肥只有天然氮肥可以使用,產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加,《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面,波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔,用來收集當肥料用的鳥糞。

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到了近代,陳貴賢提到在 20 世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)透過催化劑,在高溫高壓的條件下,以鐵粉做為催化劑,讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能,人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥,農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」,顧名思義就是協助光化學反應的催化劑,但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於,其化學反應通常發生在固態的表面環境,目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料,你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」,例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能,其實就是照射足夠的光,讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸,這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構,且大幅增加反應的表面積,讓光催化反應更有效率。

陳貴賢:「一個高表面積的奈米粉末,它的表面積可能是薄膜的一萬倍,甚至於十萬倍。」

給你電子,還你原形!光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的?

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳,是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」,氧化反應會失去電子,還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),可以讓二氧化碳還原成甲醇(CH3OH)和乙醛(CH3CHO),這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下:

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要持續減少二氧化碳,就要持續發生上述還原反應,持續供給電子。不過,我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面?這裡就開始涉及到半導體的核心問題:電子與電洞的產生、分離和傳輸

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:ZnS/ZIS,是結合兩種奈米半導體材料,透過水熱法合成,將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,形成 0D-2D 結構的 ZnS/ZIS 複合物,就像製作巧克力豆餅乾,不過要複雜得多。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

既然 ZnS/ZIS 是半導體,當受到光照之後,原來的價帶(valence band)電子會被光激發成導帶(conduction band)電子,原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位,就是電洞。電子和電洞的遷移,就是半導體形成電流的原因,因此電子和電洞都稱為「載子」(charge carrier)

還記得上面的還原反應嗎?

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對光催化材料來說,為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇,必須獲得穩定的電子來源,材料內部要迅速補充電子到表面,因此:

照光產生的電荷載子數量越多越好;產生的電子和電洞要傾向分離,分得越遠越好;電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定,首先照光產生的載子要多,就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合,照光產生的電子和電洞很容易復合,一旦復合,等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好,可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS/ZIS 光催化材料,依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99,分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中,ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇(如下圖)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率,陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值(apparent quantum efficiency),用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量,產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後,ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%,量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍!

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這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合,因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率,選擇兩種不同的半導體材料組合,讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞,並且把電子送到它該去的材料表面。

此外,使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」,以符合光催化反應的能量門檻,自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後,繼續往 ZIS 跑,光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面,還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快!控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發,陳貴賢提到:「材料低能階,然後光子進來後,把電子激發到高能階去做反應,太陽能電池也是這樣。但是呢,有時候沒那麼剛好,例如激發後的能階不夠高,雖然激發上去了,但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起,電子上去以後又下來,然後再吸收第二個光子上去,那就變得很高了,高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖,如下圖所示,電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發,變成自由電子,接著經過設計完善的材料介面,先降到較低的 ZIS 束縛區,受到第二次光子的激發,再次變成自由電子,跑到光催化材料的表面,和二氧化碳發生還原反應,將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

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看看電子走過的路,如果向左歪著頭看,是不是就是一個 Z 字呢?科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」(Direct Z-scheme)。「直接」的意思是,電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程,不需要再經過一個中間地帶,降低電子和電洞復合的機會。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料,電子可以不需要中間的「轉接站」,直接轉移到另一個材料上呢?這裡也有一個巧思:不同材料之間的「微應變」

不同材料的晶體排列規律是不一樣的,當兩種材料接在一起時,接面處會發生「晶格不匹配」,也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是,如果我們可以控制微應變(Strain)的程度,就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置,微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能,進而形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。

總之,陳貴賢團隊開發的這套材料組合,是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料,可做為未來量產光催化材料的研發設計參考,同時也是減碳的解方之一。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示,目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域,他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸,有太陽能電池和熱電材料,同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料,以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展,因為在 2050 淨零排放之前,有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列,企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中,台積電為蘋果主要供應商,2020 年也加入 RE100,目前為臺灣再生能源的主要買家

可以預見,將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求,而能夠減少二氧化碳的光催化材料,也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到,當前光催化材料還在基礎研究階段,目前的人工光合作用效率約 1%,接近大自然效率,而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上,方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值,不僅轉化後的燃料可以賣錢,處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用,是一種前所未有的概念。

陳貴賢強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值。
圖|研之有物

註解

  1. 根據 IPCC 的資料,如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內,必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標,同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放,特別是甲烷。
研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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黏得住還是黏不住?如何找出最適合的接著劑?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/06/20 ・3791字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 LOCTITE® 樂泰 委託,泛科學企劃執行。

「結構接合」這個詞雖然很陌生,卻存在於我們四周!

只要能將兩塊材料黏在一起,拿起來不會散掉,都能被稱作「結構接合」,像是傢俱或電器產品上,就有許多螺絲把兩塊零件固定起來,另外,工業上「複合材料」的製作,也是一種「結構接合」,像是自行車、飛機,或手機殼所使用的「碳纖維」,就是將碳纖維纏繞在塑膠上,再用接著劑固定所形成的複合材料。

簡而言之,這就是結構工程師的活兒!

結構接合的三種方法

一般來說,結構接合可以粗分為三種方法。

1. 螺栓(bolting):也就是傢俱家電上的螺絲釘,用額外零件來把兩塊材料鎖緊,這種作法是最方便的,鑽個洞、鎖進去、大功告成,但最大的問題是受到的應力,會全集中在螺絲的洞口上,就像是你撕開用釘書機釘起來的文件,輕輕一扯,訂書針附近就會裂開,文件就會脫落。

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2. 焊接(welding):兩片金屬或熱塑性塑膠,可以局部加熱使材料熔化再冷卻後固定,或是用熔點較低的「焊料」加熱後直接接合,另外也有不需要加熱到熔點,透過外力敲打來接合的「鍛焊」,日本刀的刀身,是由「刀心」、「刃金」與兩塊「鐵皮」,藉由鍛焊的方式接合在一起。焊接雖然不會像螺栓一樣應力集中在洞口,但也會讓應力集中在焊接線上,此外,也不是所有材料都能用焊接加工。

日本刀的刀身結構。圖/wikipedia

3. 黏接(Bonding):用膠水、三秒膠……等「接著劑」塗在兩塊材料的表面,形成「膠體」後黏在一起,好處是不會有上面提到的應力問題,但必須考慮接著劑的適用範圍,因此接著劑有非常多的不同型號,來應對不同材料或使用情境。由於黏接的應力問題最少且使用方便,因此在工業上被大量使用,除了取代原有螺栓與焊接,在「碳纖維」等複合材料製作上,接著劑可說是唯一的解決方案。

怎麼測量接著劑的效果?

測量接著劑的效果,相當於測量膠體什麼時候會斷裂。在材料力學上,通常會討論「拉伸(Tensile)」、「擠壓(Compression)」、「剪切(Shear)」這三種行為,對材料造成的影響。

要測量上述三種情況,我們可以用機器以特定方式,對受測物整體均勻緩慢施力,直到兩片材料分離,就能得到「理論上」膠體能承受的最大力量大小。這種均勻緩慢施力的測量方式,稱為「靜態分析」。

為什麼「靜態分析」得到的結果是「理論上」呢?這是因為真實世界的受力狀況,大多都不是均勻緩慢的。像是撞車就是「非均勻且快速」的衝擊,車子受力會集中在某個點上,且作用時間很短。

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而針對接著劑的真實效果,通常會著重討論「膠體被撕開」的狀況,這包含了「劈裂(Cleavage)」與「剝離(Peel)」兩種情況,「劈裂」是撕開較為堅硬的材料時遇到的狀況,而「剝離」則是較有彈性的材料,基於接著材料的彈性差異,膠體斷裂的方式會不一樣。

上圖是劈裂與剝離的示意圖,會發現無論是劈裂還是剝離,膠體的受力都不是均勻的,會全部集中在裂縫邊緣上,我們無法用「靜態分析」來評估膠體的真實狀況,因此必須使用「動態分析」來確認。

經典動態分析—夏比衝擊試驗(Charpy impact test)

動態分析就是更接近真實狀況的分析(廢話),其精隨主要是在分析方法上,靜態分析是做「力」分析,而動態分析則改做「能量」分析,那為什麼改成「能量」分析就能更容易解決真實問題呢?

我們先想一個情況,當你用槌子把釘子釘到木板上時,突然想知道自己對釘子施了多少力。這時,你有兩個方法可以得到答案:

  1. 用「力」分析:錄下槌子撞到釘子的過程,分析撞擊過程的受力狀況,包含槌子的運動軌跡、落下的角度、速度改變的過程。
  2. 用「能量」分析:透過木板的阻力係數與釘子釘進木板的長度,回推撞擊的力量大小。

大家應該都會選第二種方法來算答案吧?因為比第一種來得簡單!這就是用「能量」的好處,我們可以不用考慮施力方向或運動變化,以更簡單的方式來得到相同的結果。

在動態分析中,最經典的分析方式就是「衝擊試驗」,大家直覺想到的可能是汽車的衝擊試驗,看安全氣囊會不會正常運作或是車體結構的受損狀況,這的確也是動態分析的一種,但今天,我們會從更基礎的夏比衝擊試驗(Charpy impact test)來說起。

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夏比衝擊試驗的器材。圖/wikipedia

夏比衝擊試驗會把左邊的擺錘當作衝擊力的來源,當擺錘拉高到一定高度後(h’),我們就能透過重力位能公式(Eg = mgh),知道他初始的能量是多少(Wh’),而樣本會擺在下方,之後釋放擺錘衝擊樣本。

結構圖。圖/wikipedia)

當樣本被擊破了之後,擺錘會繞到另一邊並有一定的高度(h),透過這個高度我們能知道擺錘殘餘的能量有多少 (Wh),這時只要 Wh’ – Wh,就能得到作用在樣本上的能量有多少了!

衝擊試驗的好處是,我們可以在同樣能量的情況下,透過改變樣本的形狀與撞擊點等條件,模擬出更接近真實的狀況。

LOCTITE® 樂泰:眼見為憑 – Seeing is Believing!

LOCTITE® 樂泰是全球接著劑的龍頭,自開業初期,就秉持著「眼見為憑(Seeing is Believeing)」的理念,不僅在客戶面前直接實驗演示產品效果,更創建了「移動實驗室」,巡迴各地協助客戶分析與排除接著劑的使用問題。

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自 1964 年以來 LOCTITE® 樂泰的移動實驗室一直有效地指導客戶和培訓銷售人員 – 拍攝於 Newington, Connecticut (美國康乃狄克州的紐因頓)。

如今 60 年過去,LOCTITE® 樂泰仍秉持著「眼見為憑」的精神,為客戶解決問題。

LOCTITE® 樂泰出品的接著劑,除了有做「膠合收縮測試」,也輔以其他「動態分析」來測試產品特性,幫助客戶快速取得不同材料接合的有效數據,以下是漢高 LOCTITE 樂泰實驗室在  PIDC 塑膠中心發表複合材料的部分實驗結果。

第一部分:碳纖維複合材料的動態測試報告

實驗材料大小為 2.5 x 114.3 x 1.6 mm,材料上下表面貼上「3K 碳纖維製成的 45° 單向布」,每一層碳纖維重(FAW)為 175 g/m2,材料表面粗糙度以算術平均數(Ra)取得的數值為 50 ~ 60 𝜇m。兩片材料以水平的方式上下堆疊,並用 5 種不同的接著劑,接合上下表面。

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實驗方法為試驗衝擊,使用擺錘撞擊受測物體的接合處直到材料分開,來測試接著劑的抗衝擊性能,為了數據呈現的易讀性,我們將衝擊能量(Impact Energy)的大小,化約為衝擊參數(Impact index)。

實驗結果分為上接著劑後壓緊接著,中間沒有膠體空隙(Gap 0mm)的藍色數據;以及使用 Spacer 控制,有 0.17mm 的膠體空隙的紅色數據,我們可以發現在 3 號接著劑上,有著最好的抗衝擊性能。

第二部分:可回收熱塑型複合材料的動態測試

實驗材料為長興材料的可回收熱塑型複合材料 —— TP032C – U52。

材料大小為 2.5 x 100 x 1.6 mm,複合材料外部包覆的碳纖維是台麗朗的 TC36P,包覆的碳纖維重(FAW)為 110 g/m2,共包覆 8 層,材料表面粗糙度以算術平均數(Ra)取得的數值為 50 ~ 60 𝜇m。

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實驗方法為垂直撞擊,透過改變高度與負重,來控制衝擊能量大小。

實驗結果為 4 號接著劑對可回收熱塑型複合材料的效果最好,但如果我們回頭看接著劑本身的特性,會發現 4 號也許沒有那麼適合,因為 4 號接著劑的固化溫度很高,已經超過熱塑形複材的熱穩定溫度上限,這樣的溫度很可能會讓熱塑型複合材料變形,因此固化溫度較低又有一定強度的 3 號或 1 號接著劑,才會是熱塑型複合材料的首選。

最後,LOCTITE® 樂泰也做了生動有趣的影片,來演示接著劑在不同狀況下的效果。

在影片中,LOCTITE® 樂泰先是用接著劑黏接兩個治具——S45C中碳鋼的單邊,並對有接著劑的單邊進行正向力測試,發現直到 6298 公斤重,都還不會分開,但只要從沒有接著劑的部分拉扯,只要 1124 公斤重,膠體就會剝離破壞。而這也正反映到前面所說的,必須對各種使用情境去做動態分析,才能知道接著劑的真正能耐!

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延伸閱讀

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防彈衣跟 T 恤一樣輕?用了蜘蛛絲就可能! ———《追光之旅:你所不知道的同步輻射》
天下文化_96
・2021/09/11 ・1479字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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在《蜘蛛人》系列電影中,蜘蛛人靠著強韌的蜘蛛絲,不僅可以飛簷走壁,還能當成武器來攻擊敵人、拯救世界;現實世界中,蜘蛛靠著蜘蛛絲捕捉獵物、保護自己……,每一根蜘蛛絲都蘊藏著大千世界的無窮奧妙,一直是科學家相當著迷且亟欲破解的自然界奧祕,可說是相當熱門且歷史最悠久的仿生材料研究主題。

圖/Pixabay

蜘蛛絲擁有極高的強度、延展性及韌性,且重量極輕——如果拿蜘蛛絲環繞地球一圈,所需要用到的蛛絲,總重量還不到 500 公克;最重要的是,對科學家來說,蜘蛛絲是純蛋白質,擁有極高的生物相容性,不易產生人體免疫反應,十分適合開發更加多元的應用,包括:軍事科學、醫療生技、紡織、工業等,是極具發展潛力的智慧生物材料。

事實上,早在十幾年前,工研院生醫工程中心(生醫與醫材研究所前身)便研擬將蛛絲基礎科學研究計畫列為前瞻科技計畫之一,由工研院研究員楊正昌、東海大學生命科學系教授卓逸民與國輻中心研究員許火順等人合作,以同步輻射X 光繞射實驗進行台灣人面蜘蛛絲研究,獲得三大發現:

第一,蛛絲耐熱性高,加熱到攝氏 200 度至 300 度時,蛛絲的奈米晶體才會崩解。

第二,蛛絲的粗細大約是頭髮的十分之一,強韌度卻是同重鋼絲的五倍,彈性是尼龍的三倍。

第三,蛛絲輻射狀的主要骨架稱為拖曳線,拖曳線的絲碰到水,長度會收縮為原本的一半,但更有彈性,能像橡皮筋般拉扯,超越多數人造纖維所能達到的程度。

利用基因工程,可大量生產人造蜘蛛絲蛋白,提供各類應用所需。(圖/楊正昌提供)

蛛絲的強韌關鍵:蛋白奈米晶體

一根蛛絲上同時擁有兩種蛋白奈米晶體,一種是排列整齊的結晶,另一種是不規則的混亂結晶,堅硬的晶體與柔軟的蛋白質體結合形成複合材料,強化了蛛絲的硬度與韌性,甚至使得蛛絲可以吸收巨大衝擊能量,僅需要極微量便能達到防彈效果,讓防彈衣可以做成如 T 恤般輕便,比現行防彈衣材料克維拉(Kevlar)纖維還要輕。

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不過,蜘蛛是肉食動物,無法大量飼養,天然蜘蛛絲受限於產量和製程等因素,產品開發與實際生產仍有不少瓶頸,於是,科學家將蜘蛛絲蛋白基因殖入山羊乳腺細胞、倉鼠、大豆、大腸桿菌或酵母菌的基因,以基因工程方式生產大量蜘蛛絲蛋白,希望開發出比擬天然蛛絲特性的仿生蜘蛛絲。

以台大生科系教授吳亘承為例,他以天然蜘蛛絲纖維做為生醫工程材料,在蛛絲表面重新組裝蛋白質、酵素、抗體等物質,賦予蜘蛛絲纖維嶄新的生物化學功能,應用在動物癌症細胞株純化與分離,並成功將蜘蛛絲蛋白基因殖入大腸桿菌,大量生產蜘蛛絲蛋白,做為各類應用的仿生材料。

高強度纖維已廣泛應用在我們的日常生活,除了碳纖維,芳香族聚醯胺類纖維更因性能優異與形式多樣,成為目前應用最廣、產量最大的纖維,在國防、航太、汽車、能源材料等領域具有不可取代的地位。

譬如,國輻中心研究員莊偉綜、周哲民與遠東新世紀公司合作,開發出新型聚醯胺類纖維材料,具有高強度、質輕、耐高溫且耐化學侵蝕等特質,可以應用在輕航器、大型機具吊掛繩索、海底電纜等項目。

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——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。