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被子的保暖原理知多少?——能放出遠紅外線的石墨烯,不插電能發熱

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/11/16 ・3519字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 宏睿國際行銷有限公司 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/ 陳彥諺

世界各地都有「被子」的存在,例如:日本的「布團(掛け布団)」或是歐洲的「羽絨被(Duvet)」。日本的布團,使用場景通常是在相對堅硬榻榻米上,因應而生的布團具有蓬鬆、柔軟的特性。而歐洲的羽絨被,傳統上是在被單內填充絨毛、羽毛、棉花等材料,現代羽絨被則隨著技術發展,有著更多樣的填充體。不過,無論是日本的布團,或是歐洲的羽絨被,它們內部的填充都非常地蓬鬆,這是為什麼呢?

傳統棉被都非常蓬鬆。圖/Pixabay

被子為什麼可以保暖?

傳統的被子之所以可以達到保暖效果,主要利用了兩個原理——減少熱量損失的「隔熱」,與供給額外熱能的「生熱」。

隔熱是藉由蓬鬆的被子,將人體與外界隔絕,以減少熱量損失。原理是由於空氣不容易傳導熱,因此傳統被子在填充了具有蓬鬆特性的材料,如棉花、羊毛、羽絨等,增加被子內部的空氣含量後,覆蓋在人體上頭,不容易傳導熱的空氣便作為一層阻隔,達到保暖的效果。

動物身上蓬鬆的毛,也是為了讓更多空氣停留在身體表面,達到隔熱的效果。圖/Pixabay

其實最早研究物質絕熱性能的人,是對 19 世紀熱力學發展有重大影響的倫福德伯爵。當時他剛發現熱對流現象,並且指出某些物質的絕熱屬性來源於它們阻礙了空氣對流,到此都是正確的結論。不過接著,他卻作出了一個錯誤的推論——他認為棉被能保暖的原因,是因為當中填充的材料如棉花、羊毛、羽絨等物質能夠阻止熱對流[6]

保暖不只要「隔熱」,更要能「生熱」

一件被子,除了做到減少熱量損失的「隔熱」,能夠供給額外熱能的「生熱」,才能不只保暖,更讓人感到溫暖。

常見運用生熱原理的物品,比如電熱毯,往往需要額外插電、透過電加熱達到額外提供熱能的效果,不過在使用上會有場景的限制,也容易有安全疑慮。目前也有不需要插電的方法,如發熱被、蓄熱被等,藉由特定材質發出較多的遠紅外線,相較於傳統被子也能得到更多的熱。

4~14µm 的遠紅外線,更容易溫暖身體

紅外線(Infrared,簡稱 IR)又稱紅外光,是一種非可見光範圍內的電磁波,在不同波長的區分下,又能分作近紅外線、中紅外線、遠紅外線,其中遠紅外線(FIR)在不同領域中的定義也有所差異,工程或生醫領域習慣上的定義是波長在3~1000µm 的電磁波。

然而,並不是所有波段的遠紅外線都能讓人體感到溫暖。人體內分子較容易振動的波長有其範圍,只有在 4~14µm 的時候[1]

這個分子振動產生熱的概念,近似於微波爐加熱的原理。微波爐是運用特定波長的電磁波,在爐內產生磁場,電子隨之振動產生熱,再經過熱傳導擴散,就能加熱食物。特別是極性分子,例如水,會因而快速震盪、摩擦生熱,因此含水量越多的食物加熱效果會更好。

同樣的,只有特定波長的電磁波,能讓人體內各種分子快速震盪,使體溫升高。

究竟什麼材料會放出遠紅外線呢?

物質的組成基礎是原子,只要不在絕對零度的物質,其內部原子就會產生振動,進而放出各種波段電磁波,而特定波長的電磁波強度,只與物體的材質與溫度有關。

也就是說,如果找到一種材料,能受到體溫範圍內的能量影響,產生共振效應、放出最大量的遠紅外線,就能達到不插電也能生熱的效果。很幸運的在身處於21世紀的今天,這款材料已經被找到了,它就是——石墨烯。

石墨烯——21 世紀最前沿的材料

石墨烯問世的時候,便被稱之為「21 世紀最前沿的材料」,英國曼徹斯特大學的安得列·蓋姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖羅夫(Konstantin Novoselov)兩位物理學家,也因此獲得了 2010 年的諾貝爾物理獎。

獲得各界矚目的石墨烯,其實隱藏在我們生活當中。它平時被疊合在一起,外觀漆黑、毫不起眼,用途通常被做成潤滑劑、鉛筆芯,我們稱之為「石墨」,然而當將鉛筆輕輕畫在紙上,鉛筆痕裡其實就有幾層石墨烯。剖析來看,石墨是由碳原子排列成六角形蜂巢狀的平面薄膜層層堆疊,層與層之間藉由凡得瓦力吸引。而將石墨分離成最小單位後,石墨烯就藏在裡頭[5]

由碳元素組成的石墨烯,不同於同族的石墨、金剛石。它最大的特點在於,石墨烯由單層的碳原子組成,可以有序的沿著二維平面延展開來。由於結構上的特殊,石墨烯極薄,只有一個原子厚,抗斷裂強度比最好的鋼要高出 200 倍,柔軟度超過橡膠,透光率高達 97.7%,具有優良的光敏、熱敏等半導體特性[3]

也有研究針對混入石墨烯的纖維布料與一般纖維布料在攝氏 37 度時,放出波長在 8~14µm 的電磁波是否有差異,研究發現混入石墨烯的纖維布料,該頻段的電磁波放射率會高於一般纖維布料[2]

石墨烯的六角蜂巢結構。圖/Wikipedia

「PP 醫療級石墨烯超導被」讓你睡得更輕、更暖

在石墨烯如此令人驚喜的特性被人們發現後,各項領域的全新應用也順應而生。當睡眠科技與石墨烯結合在一起,便絕佳發揮石墨烯能放出適合人體吸收發熱的遠紅外線的這項特性。

不只這樣,運用石墨烯所製作的被子還能變得更輕!過往被子會做的蓬鬆厚重,是因為要增加被子內的空氣含量,讓不容易傳導熱的空氣阻隔外界,達到保暖的效果。而運用石墨烯製成的被子,可藉由石墨烯放出遠紅外線發熱,不再單靠空氣隔熱保暖,被子就自然變薄了!

值得一提的是,「PP 醫療級石墨烯超導被」以業界首創技術,除了保暖更是達到保健效果,將石墨烯微粒鑲嵌在人工纖維中製成布料,不只讓被子更加輕薄,獨家的石墨烯纖維技術,除了能保留石墨烯的遠紅外線特性外,還能讓被子更加耐用。

為了讓「PP 醫療級石墨烯超導被」能達最好的生熱效果,在製作上,由裡到外共有四層含有「超導石墨烯纖維的布料」,層層疊疊的覆蓋下,經實驗證實,「PP 醫療級石墨烯超導被」遠紅外線放射率可高達 92%。

在石墨烯被發現後,坊間已陸續出現了許多石墨烯被。不過,一般市售石墨烯被往往僅在表面覆蓋一層石墨烯而已。擁有二十多年織品經驗的老手,特別提醒消費者,目前傳統的石墨烯棉被因為技術問題,將石墨烯棉被放入洗衣機清洗後,會大量流失失去原本功效,變成一條普通僅以「隔熱」為主的棉被。

在學理上能釋放遠紅外線的石墨烯,與織品實際結合後,效果一樣可行。經內部測試結果證明,「PP醫療級石墨烯超導被」能在 10 秒內瞬間升溫,且能有效提高血流速與血流量。

冬天已經來臨,21 世紀的冬天,不再需要在被窩中瑟縮著冷到不能睡,選用「PP 醫療級石墨烯超導被」,讓遠紅外線發威,不插電也能生熱,輕輕一蓋,又鬆又軟又生熱,讓你度過前所未有的、最溫暖的冬天。

想好好過個暖冬嗎?「PP醫療級石墨烯超導被」購買連結:https://ppweb.tw/aj74

參考資料:

  1. 遠紅外線在醫學上之應用及其作用機制. 台灣應用輻射與同位素雜誌/Taiwanese Journal of Applied Radiation and Isotopes, 2007.
  2. Hu, X., Tian, M., Qu, L., Zhu, S., & Han, G. (2015). Multifunctional cotton fabrics with graphene/polyurethane coatings with far-infrared emission, electrical conductivity, and ultraviolet-blocking properties. Carbon, 95, 625-633.
  3. 石墨烯 – 維基百科,自由的百科全書
  4. 遠紅外線材料以及材料效率的判定
  5. 科學史上的365天:春卷
  6. Benjamin Thompson – Wikipedia

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》