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烘焙系動畫利用米做麵包——淺談米的科學與應用

Evelyn 食品技師_96
・2022/05/24 ・2985字 ・閱讀時間約 6 分鐘

「英國麵包、德國麵包、法國麵包通通都有,就是沒有屬於日本的麵包,既然這樣,今後只好自己創造」,這句熟悉的旁白有沒有令你想起日本動畫《烘焙王》呢?

擁有太陽之手的主角東和馬,在摩納哥盃決賽中遇上一位強勁對手夏多,在這場決賽中,夏多製作出的 Gopan 米貝果讓評審小丑讚嘆,是實現了人類前所未見的頂級口感麵包[1],到底用米做的麵包口感會是如何呢?米還能怎麼應用?

秈米、梗米和糯米特性、用途大不同

動畫中,夏多使用夢幻的「女鶴糯米」做米貝果,是日本山形縣的特產,雖然柔軟卻很有嚼勁,非常適合做紅豆飯或麻糬。

但除了糯米,改用秈米或粳米製作又是如何?首先需要瞭解這些米特性的差異。

稻米依照直鏈澱粉(amylose)及支鏈澱粉(amylopectin)比例不同,而有不同的特性,應用的加工用途也就不同,主要概分成秈米、粳米及糯米,如下表。

秈米、粳米及糯米直/支鏈澱粉含量、外觀特性及用途比較。表 / 彙整自參考資料 23
秈米、粳米及糯米(秈糯與粳糯)之外觀。圖 / 參考資料 2

糯米因支鏈澱粉含量愈高,產品黏性愈強,愈不容易消化;直鏈澱粉含量較高的秈米則反之,因此不同的米所製作出來之產品特性就有所差異。

支/直鏈澱粉含量差異是造成米種特性不同的主因

動畫中,夏多是用蒸熟的糯米去製作貝果,而不是生米,這牽涉到澱粉的糊化與老化特性:

  1. 糊化(gelatinization):生澱粉顆粒經過加水、加熱後,澱粉結晶型態發生改變,澱粉顆粒體積及黏度增加形成膨潤狀態(swelling),此過程即稱之為糊化,一般剛煮好的熟飯即是這種狀態。
  2. 老化(retrogradation):經過糊化完全的澱粉,於室溫緩慢冷卻時,會形成半固體狀之膠體物質,隨著時間逐漸乾燥脫水,最終形成無法再復水的固體物質,即為老化,或稱回凝。如剛蒸好的飯經長時間放置,飯會變硬、外表龜裂並呈半透明狀。

通常支鏈澱粉含量愈高,澱粉顆粒愈容易糊化,老化速度愈慢,而直鏈澱粉含量愈高則反之。

而現在市面上有一種預糊化(pre-gelatinization)米穀粉,即是利用高溫使生米糊化,並直接將「糊化狀態的米」乾燥,如此便不會發生老化。

預糊化米穀粉的優點在於易溶解於水,可增加米穀粉跟水分的結合力,讓烤出來的米麵包更濕潤,表面不易有裂紋[4]

更有研究發現,以熟飯(糊化狀態)取代配方中部分麵粉所製作的米麵包,比使用生米穀粉所做的米麵包膨發效果更佳[5],這或許是夏多的米貝果長得特別巨大的原因吧。

小丑評審準備要試吃米貝果。圖 / 參考資料 1

糯米特性適合加進麵糰裡做軟 Q 的貝果

我國臺南區農業改良場(以下簡稱臺南場)即利用上述特性,開發出使用多種米種調配之米穀粉,一般直鏈澱粉含量為 16~23% 米適合做鬆軟的麵包,具半糯性的粳米(直鏈澱粉含量 5~15%)則適合做快速麵包類產品,如英式鬆餅及瑪芬[6]

亦有研究探討添加糯米、粳米以及秈米的米穀粉於生麵糰中,對麵包品質的影響,結果添加「糯性」米穀粉所做的麵包不但硬度較低,且麵包切面有較多細緻的孔洞,具有彈性與嚼勁,且因支鏈澱粉含量高,還可以延緩麵包的老化(變硬)發生[7]

聽起來加「糯米」去做麵包的質地,是不是非常適合同樣擁有多細緻孔洞,口感軟 Q 帶勁的貝果呢!

然而米麵包的保濕性不佳,烤焙時水分更容易散失,所以夏多為了改善米貝果烘烤後會整個硬梆梆的缺點,就改用油炸的方式。

「油炸」使米麵團表面溫度迅速上升,水分亦快速汽化蒸發,使其表面形成金黃酥脆的硬殼,水分保留在內部組織。且由於高溫烹調產生梅納反應[註 1],增添米貝果誘人的色澤與香味,替美味程度大大加分。

如此可推論,夏多的米貝果表面金黃酥脆,內部組織鬆軟又具嚼勁,保濕性好,而且還不容易硬掉,形成小丑評審所說的「頂級口感」。

米的應用多元,還可做米糆包、蛋糕或植物米奶

除了米貝果之外,臺南場出版《米糆包製作技術》一書,介紹如何使用米穀粉,製作各種發酵類糆包及點心,如美國貝果、德國布雷結、法國長棍、義大利巧巴達、瑞典肉桂捲、比利時鬆餅、法國瑪德蓮、墨西哥捲餅和鳳梨米蛋糕等,充分發揮米產品的特色。

另外,財團法人食品工業發展研究所也開發植物米奶、沖泡穀粉及穀物棒,以及低過敏性的米蛋白機能飲品,不但容易消化吸收,更可作為高蛋白營養補充劑原料,解決乳糖不耐問題[8]

之所以要鼓勵國產米的應用,主要是為了為提升稻米消費量。據農委會統計,1980 年代時,國人每年平均食米量有 90 公斤,糧食自給率至少還有 55%;但到了 2020 年,每年平均食米量已經跌到 44.1 公斤,是史上最低,糧食自給率更是下滑至 31.4%,已衝擊稻米產業發展[9]

食工所開發植物米奶、沖泡穀粉及穀物棒。圖 / 參考資料 8

尤其近期國際小麥價格大漲,而國產米供給充裕、價格穩定、食物里程短、營養價值高、應用層面廣泛,優點如此之多,鼓勵大家可以多吃國產米食喔!

註解

  1. 梅納反應(maillard reaction):在烹調過程中,食物中的碳水化合物與胺基酸、蛋白質在烹調加熱時發生的一連串複雜的反應,生成了棕黑褐色的大分子物質,即是梅納反應。反應過程中會產生不同氣味的分子,包括還原酮、醛和雜環化合物,這些物質提供了誘人的色澤與風味。

參考資料

  1. Muse木棉花,2021。烘焙王 第51話【網羅頂級食材!!史上最大的決戰! 】
  2. 教育部食品加工科學習加油站。米食加工
  3. 陳凱詩,2019。長糯米、圓糯米哪裡不同?紫米原來也是其中一種!。自由時報
  4. 陳盈方,2012。米食加工產品之開發-稻米預糊化技術。行政院農業委員會臺東區農業改良場
  5. 張舒涵,2014。米穀粉或糊化米混合麵粉製備米包之特性探討。國立宜蘭大學食品科學所碩士學位論文。宜蘭
  6. 陳曉菁、王仕賢,2012。米穀粉品質對烘焙產品之影響。行政院農業委員會臺南區農業改良場
  7. 林玫欣、蔡明原。2004。米穀粉對於烘焙類產品性質之影響。烘焙工業 118: 27-33
  8. 行政院農業委員會,2021。植物蛋白新選擇 成功開發國產米蛋白休閒食品。農業科技專案計畫服務網
  9. 林怡均,2021。2020統計》糧食自給率和食米量雙下跌!肉類攝取量超過米麵總和,成台灣人「主食」。上下游 News&Market
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Evelyn 食品技師_96
23 篇文章 ・ 26 位粉絲
一名食品技師兼食品生技研發工程師,個性鬼靈精怪,對嗅覺與味覺特別敏銳,經訓練後居然成為專業品評員(專業吃貨)?!因為對食品科學充滿熱忱,希望能貢獻微薄之力寫些文章,傳達食品科學的正確知識給大家!商業合作請洽:10632015@email.ntou.edu.tw

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漱口,預測心血管疾病?
胡中行_96
・2023/10/02 ・1881字 ・閱讀時間約 3 分鐘

「您去找家庭醫學科或牙科做年度健檢時,可以進行漱口檢測。」2023 年 8 月《口腔健康前沿》(Frontiers in Oral Health)期刊加拿大論文的共同作者,誠心推薦:「這個簡單的口腔發炎評估工具,能於任何診所實施。」「優良的口腔衛生,跟定期看牙一樣,總是備受推崇,特別是看在此證據的份上。」通訊作者也在一旁幫腔。[1]所以,他們到底是研究什麼口腔疾患? 誤會大了,重點是心臟病啊!

圖/engin akyurt on Unsplash

研究設計

研究團隊招募了 18 至 30 歲之間,不抽菸、BMI 小於 30 kg/m2,沒有高血壓與心血管疾病,且常規藥物不會影響相關功能的 16 名男性跟 12 名女性,總共 28 名受試者。其中女性採樣時間必須在月經頭 2 天;口服避孕藥使用者為服用安慰劑期間;[註]其餘避孕方式則一律排除。研究團隊希望藉由篩選的條件,盡力避開老化、個人宿疾、特定生理差異等,各種會干擾結果的因素。[2]

人都找好之後,試驗步驟大致如下:8 小時內避免運動和攝取任何咖啡因或酒精,並且除了飲水外,禁食 6 小時。正式採樣當天,先測量身高、體重,用自來水潄口 10 秒,吐掉;稍候2分鐘,又以 10 毫升的生理食鹽水漱個 30 秒,再吐進 20 毫升的唾液收集管,送驗口腔嗜中性白血球計數(oral neutrophil counts)。接著平躺至少 10 分鐘,以心電圖測量心律;然後維持同樣的姿勢,測量血壓脈波速率(pulse wave velocity)和肱動脈血流介導舒張(brachial artery flow-mediated dilation)。[2]

口腔嗜中性白血球計數牙齦發炎程度的指標。檢體與 4% 的甲醛混合,冷藏於 4°C 的冰箱內直到檢驗,不得超過2天。經過離心機高速轉動處理後,除去上層澄清的液體,將沉澱的細胞與 500 µl 的 Hank’s 平衡鹽溶液混合。以 4 µg 的吖啶橙(Acridine orange)染劑,為其中 250 µl 的細胞上色,並靜置於室溫的暗房裡 15 分鐘。取出稀釋 10 倍,於顯微鏡下放大 200 和 400 倍,以血球計數盤(haemocytometer)輔助,肉眼計算嗜中性白血球的數量。[2]

血球計數盤示意圖。圖/Zhang S, Kuhn JR. (2012) ‘Cell isolation and culture’. In: WormBook: The Online Review of C. elegans Biology. Pasadena (CA): WormBook.(CC BY)

另外,脈波速率是感測脖子與大腿內側的脈搏,以二者的距離和脈波傳導的時間差計算速率,進而瞭解動脈的硬度:[2, 3]脈波速率愈快,代表血管壁愈硬。肱動脈血流介導舒張則是暫時阻塞血流再放行,透過超音波取得影像,以上臂肱動脈直徑變化的百分比,來反映其內皮功能的情形。[2]

漱口檢測的原理

受試者雖然沒有已知的口腔問題,但是某些其實有程度不等的牙齦發炎。研究團隊從上述諸多檢測的結果,歸納出一個明顯的現象:當口腔發炎愈嚴重,嗜中性白血球計數愈高;肱動脈舒張的變化就越小,即血管內皮功能越差。其他項目則沒有特別的關聯。[2]

口腔嗜中性白血球計數愈高,肱動脈舒張的變化就愈小。圖/參考資料 2,Figure 5(CC BY 4.0)

他們解釋,這是因為細菌組成的生物膜,也就是牙菌斑(dental plaque),所分泌的代謝物,滲透過牙齦溝(sulcus)上的連接上皮(junctional epithelium),擴散進入血流。於是,口腔發炎就變成系統性的發炎。此時,系統內的發炎性細胞素(inflammatory cytokines)濃度上升,因而減少血管內皮的一氧化氮(nitric oxide)產量,間接削弱血管舒張的能力,久而久之就容易得到動脈粥狀硬化(atherosclerosis)。[2]

牙齦連接上皮(JE)的位置。圖/Könönen E, Gursoy M, Gursoy UK. (2019) ‘Periodontitis: A Multifaceted Disease of Tooth-Supporting Tissues’. Journal of Clinical Medicine, 8(8):1135.(CC BY 4.0)

比起繁複或侵入性的心血管檢測,漱口絕對方便舒適許多。不過,現在這個前驅研究的規模甚小,因此論文的通訊作者表示,期望未來能納入牙周病患者,進一步探索不同程度的牙齦發炎,與心血管疾病的關係。[1]

  

備註

口服避孕藥每份有 28 顆,其中 21 或 24 顆含荷爾蒙,其餘的則為安慰劑。[4]

參考資料

  1. Gillham AB. (18 AUG 2023) ‘A simple mouth rinse could spot early heart disease risk’. Frontiers Science News.
  2. Hong K, Ghafari A, Mei Y, et al. (2023) ‘Oral inflammatory load predicts vascular function in a young adult population: a pilot study’. Frontiers in Oral Health, 4:1233881.
  3. Measurement of pulse wave velocity’. (03 JUL 2013) NHS Health Research Authority, U.K.
  4. The pill (combined oral contraceptive pill)’. (JUN 2023) Healthdirect Australia.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 60 位粉絲
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)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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舌頭、石頭,迸出新滋味?科學家為什麼要舔石頭?——2023 搞笑諾貝爾獎
PanSci_96
・2023/09/30 ・3674字 ・閱讀時間約 7 分鐘

J……J 個是!這顆石頭一接觸到我的舌頭,它就像火一樣燃燒,同時留下苦澀和尿味的味道,在這之後還留下了一點甜味。

圖/Youtube

這,這一顆石頭不一樣,它有酸辣味和硫酸鹽味,卻同時給我一種難以形容的愉悅感!就像在品嘗紅酒的酸味一樣!

圖/Youtube

等等,我並沒有壞掉,我現在做的事是某些地質學家和古生物學家真的會做的事,而且這件事還得了諾貝爾獎!只是是搞笑諾貝爾獎。

搞笑歸搞笑,舔石頭卻真的是再實用不過的方法。因為,舌頭真的是太好用了!

地質地科系祖傳秘招——舔石大法!

2023 年的搞笑諾貝爾獎的化學與地質獎頒給了地質學家揚.扎拉謝維奇,得獎的原因不是因為特定研究,而是它整理了地質學家和古生物學家「品嘗」岩石和化石的「研究史」。

有在跟我們直播的泛糰肯定知道,在今年搞笑諾貝爾獎頒發的隔週,上個月的 9 月 18 日,我們在 YouTube 官方舉辦的 2023 YouTube Festival 活動中,辦了一個實體見面會。在見面會中我們介紹了今年其中三個搞笑諾貝爾獎,其中就包含這則「地質學家為什麼要舔石頭」。另外兩個獎項分別是操縱死靈蜘蛛,和研究為什麼上課為什麼會令人感到無聊。這場見面會也有同時開直播,連結放在右上角的資訊卡,裡面提到不少有趣的觀點,歡迎去直播存檔複習。

當天,除了就像開場演繹的,不同岩石真的嚐起來味道不一樣以外,有一個地科系的觀眾,現場分享了另一個有趣的觀點。但先說聲抱歉,那時候觀眾手持的麥克風訊號沒有進到我們的混音器,所以在線上收聽的朋友沒有聽到前半段。

我們這邊重新轉述一下,這位觀眾說早在這個獎項頒發前,就知道用舔石頭來辨識種類的這種方法了,因為他的老師就是這麼教他的!沒想到,這竟然是地科與地質系祖傳的秘技嗎!

舌頭比手指還好用?

但除了味道外,觀眾還分享了一個這次搞諾沒有提到的原因,就是舌頭的觸覺可能比手還靈敏。某些岩石例如砂岩跟頁岩,可能用手摸不出差別;用舌頭舔,竟然就能分別出差別。

什麼,舌頭真的這麼厲害嗎?想想好像也是,我們吃東西的時候會用舌頭去感受食物的形狀,這些觸感甚至也是我們品嘗食物時,了解食物的重要一環。除此之外,我們還可以找出食物中的魚刺,或是卡在牙縫中的菜渣,有些人還能幫櫻桃梗打結呢。

圖/Giphy

但好像從來沒有人拿舌頭和手去做比較,因為只要講到觸覺,我們第一時間就會認為手指更加靈敏。

其實,還真的找到有人研究過,一群俄亥俄州立大學食品科技系的實驗團隊,就研究了這個問題。他們準備了幾個形狀極為相似的樣品,樣品的長度、厚度、缺口的大小都一樣,只有缺口處的傾角不同。

傾角從 45 度到 90 度都有,每塊的角度以 5 度為間隔。受試者必須拿起兩塊樣品,並在蒙眼的情況下,分別用摸或舔的方式來分辨出兩者分別為哪一塊。其中一塊始終是 90 度,另一塊則是從 65 度開始角度遞增。

這次的實驗有 30 位受試者,結果表明,使用手指來分辨兩塊樣品,平均要兩塊的角度差超過 19.81 度時,才能分辨出差異。如果用舌頭舔呢?只要兩者的角度差超過 12.75 度,就能分辨出差異!比用手摸的角度差小了許多,也就是舌頭真的比較靈敏。

實驗結果數據,JND(Just Noticeable Difference)表受試者在樣品相差幾度時能感受到差異。圖/Comparison of The Tactile Sensitivity of Tongue and Fingertip Using a Pure-Tactile Task

當然,這個實驗還有兩個方向值得討論,一是這只針對物體邊緣形狀的靈敏作分析,但觸覺有許多不同感受,例如紋理、粗糙程度等,所以可能每種觸覺做出來的實驗結果會不同。這個實驗看起來不難做,各位可以準備一些能放入嘴的材料,例如請朋友直接將比較硬的芭樂切成不同形狀來舔舔看差別,就能簡單復刻這個實驗甚至更改參數,有實際測試的觀眾也不要忘記留言告訴我們。我們這邊也同步徵求花京院來協助我們實驗。

而另一點是,關於舌頭為什麼有跟手指同等,甚至更強觸覺的生理機制,本篇研究僅止於現象探討,還未有深入研究。

圖/Giphy

濕濕的石頭更好觀察?

除了味覺和觸覺外,舔石頭還有另一個重要的原因,就是濕潤的石頭紋理更清楚,更方便研究。

這應該大家都有經驗,在學校的大理石地板拖地,或是海邊的鵝卵石,沾到水之後,石頭的紋理都更加清楚,看起來也更漂亮。但這又是為什麼呢?

影響的原因有很多,但影響最大的,就是濕潤的表面讓石頭更「平」,產生類似拋光的效果。但為什麼磨平拋光,顏色就更好看呢?

我們知道光線照到鏡子會產生反射,但鏡子很平整,如果現在照射到的是一個凹凸不平的表面,光線就會往四處反射,這種現象稱為漫反射。當我們只想看石頭上的其中一點時,旁邊的光卻會雜亂的跑進我們的眼睛,影響到對比度。並且各種顏色的色光聚在一起會形成白光,因此這些漫反射而來的光線,就會以白光的形式被我們看到。白話文就是,物體的對比下降了,但是整體的亮度提高,變成我們常看到灰白色的石頭表面。

直到石頭被拋光,或是因為濕潤產生拋光的效果,這些漫反射就會減少,石頭整體變得比較暗沉,但是斑紋之間的對比度提高了。這就是為什麼粗糙的石頭顯得灰白,浸濕之後卻呈現深沉而圖樣明顯的原因。

還沒完,薄薄一層水還會造成更多影響。例如,這層折射率介於空氣與石頭之間的介質,可以幫助光線稍微穿透岩石的表層後再反射出來,提供視覺上更多的紋理細節。如果將水換成木工中常使用的亮光漆,除了反射與折射外,亮光漆中的分子,還足以讓光線產生散射,讓你在上不同厚度的亮光漆時,能產生不同的顏色變化。

簡單來說,不論是水還是漆,這薄薄的一層介質,能像相機的鏡片一樣,透過光學調校,將更清楚、細節更多的影像送進相機的感光元件,也就是我們的眼睛上。而替換不同的鏡片,就能改變我們看到的樣子。

有介質存在於空氣與觀測物間時,光會產生折射,造成不同視覺效果。圖/askamathematician.com

這個看似玩笑的舔石頭研究,確實好像又有幾分認真的道理,我們自己在研究的時候,最開始也覺得超ㄎㄧㄤ,後來又發現能學到不少冷知識。

最後也想調查一下,除了舔石頭以外,大家還對哪一則搞笑諾貝爾獎有興趣,希望我們也來講講呢?

  1. 帶電的筷子,能讓食物更好吃?
  2. 哪些人有倒著說話的特殊能力?
  3. 要多少人抬頭看天空,才會吸引路人跟著抬頭?

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參考資料

PanSci_96
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室溫超導體:開啟未來世界的鑰匙?
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/09/26 ・3942字 ・閱讀時間約 8 分鐘

2023 年 7 月 23 日,來自南韓的研究團隊發表了《The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor》,宣示著世界上第一個室溫常壓超導體被成功發明。文章剛刊登到 arXiv 上,便掀起了全球各地的研究熱潮,不少媒體競相報導,科技市場、各種概念股也沸騰著。那麼,「室溫超導體」究竟是何方神聖?

超導體——能源損耗的救星?

相信大家對於這個詞並不陌生、卻又不甚熟悉。在中學時代理化課,我們接觸過「導體」這個詞;在關注科技業或者財經新聞時,可能接觸過「半導體」這個詞。而「超導體」(superconductor)究竟是什麼?

首先,「超導」是一種物理性質,在距今大概一百多年前便被發現。最早可以追溯到 1911 年,科學家發現:將汞(水銀)透過液態氦冷卻至 4.2 K(相當於 -268.95 °C)時,電阻將完全消失,這便是「超導現象」的開端。因此,「低溫」似乎是開啟新世界的一把鑰匙。而電阻消失有什麼幫助?

事實上,我們生活周遭的一切都是在無窮的損耗中進行的,以電子產品和通訊設備為例,這些電路元件與器材的運作源於電流,亦即導線內部電子的游動,但這個傳輸過程是耗能的,因為電子會不斷與導線內壁的原子碰觸、摩擦,從而消耗到不少能量,同時也意味著導線壽命會隨時間衰減。電路損耗的能量與電阻成正比(P = I²R),如果電阻消失了,那意味著損耗的電熱能也將消失,這將大幅提升電子在線路中的傳輸效率,從電力傳輸、通訊、發電機,到交通工具、家用電器等層面,使用效能都將顯著提升。

到了 1933 年,物理學家發現:當物質低於臨界溫度變成超導體時,會具有「完全抗磁性」,也就是原本應該穿過物體本身的磁力線會巧妙地從旁「繞過」,這個現象被稱為「麥斯納效應」(Meissner effect)。這個效應帶來了超導體的「懸浮」性質,也就是在不用任何外力的接觸下,在足夠的低溫環境中、超導體便可以藉由抗磁性讓物體「懸浮」而起。我們知道,凡是有接觸便有摩擦力的產生,而摩擦力會損耗不少熱能,因此,如果可以不透過外力接觸而操控物體、就意味著沒有了摩擦力、也就可以不再擔心能量的損耗。

A diagram of a sphere and a line

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麥斯納效應示意圖:當超導材料低於臨界溫度時(右),便可產生完全抗磁性。圖/Wikimedia

簡而言之,我們可以歸納「超導體」具有下列兩大特性:

  • 超導電性:在臨界溫度以下,電阻消失,意味著能量損耗可被降至最小值。
  • 完全抗磁性(麥斯納效應):在臨界溫度以下,磁力線被排斥於物體之外,意味著超導體可具有懸浮特性。

科幻電影中,那些飛快如光的磁浮列車、懸空而起的滑板、或者看似反重力的幽浮,這些都可以透過超導實現,因此,未來世界很可能充滿著各個類型的超導設備。即使在今日,相關的應用也已出現,比如日本便在數十年前研發出「超導磁浮列車」(SCMaglev),2015 年測試的最高時速即達到每小時 603 公里,刷新了地表上速度最快的列車紀錄。

室溫超導體——物理學的聖杯

然而,你或許也發現了,「超導體」並非唾手可得,至少需要「低溫」這個條件,又或者「高壓」 。

而低溫不僅僅是冰點這樣的溫度,而是接近「絕對零度」(0 K,即 -273.15 °C) 的「極低溫」,因此,開發出「高溫超導體」成為了物理學家的重要目標,而這裡的「高溫」並不是讓水煮沸、會讓你燙傷的溫度,而是指高於絕對溫標 77 K(-196.2 °C,即液態氮的沸點)的溫度。這個對人類來說已是難以想像的低溫、對超導體而言卻是相對的高溫。截至 2023 年,人類所開發出最高溫的超導體是一種名為 lanthanum decahydride(十氫化鑭,LaH₁₀)的化合物,其臨界溫度是 250 K(-23 °C),在 200 GPa(相當於接近兩百萬大氣壓)的環境下才得以實現超導特性。

A diagram of a molecule

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目前已知被證實的高溫超導體——「十氫化鑭」的化學結構。圖/acs.org

由此可知,要開發出「高溫超導體」實屬不易,發明出「室溫」、「常壓」的超導體基本上更是難上加難。且液態氦、液態氮這些低溫材料都是需要一定的成本,再加上要定溫保存更是不易,因此,倘若室溫超導體能被成功發明,這意味著不僅能大幅降低成本、還能大幅提升運作效能。

LK-99——睽違已久的聖杯、或是泡影?

回到文章一開始的新聞:2023 年 7 月下旬,韓國科學技術研究院 (KIST)以李石培、金智勳為主的研究團隊宣稱他們開發的材料「LK-99」在「室溫」、「常壓」環境下具有超導特性。這次的實驗紀錄號稱:他們的 LK-99 材料具有室溫超導特性,且上限可以到達 400 K(127 °C)這名副其實的「高溫」,並且是在正常大氣壓力下完成的——這遠遠勝過上一個高溫超導體 250 K、200 GPa 的紀錄;不僅如此,這個「LK-99」製作過程超乎想像地簡易,基本上待在實驗室不用三天就可以完成!擁有這麼良好特性、且製作過程又特別上手的超導材料如果被證實,勢必掀起第四次工業革命。

A diagram of a molecule

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LK-99 的晶體結構側視圖。圖/https://arxiv.org/pdf/2307.16040.pdf

讓我們先來看看這個團隊在論文中的研究內容:首先,這個「LK-99」是近似於 Pb₉Cu(PO₄)₆O 的化合物,從化學式來看,可以發現鉛(Pb)、銅(Cu)、磷(P)這些都是不難到手的化學元素。而製作過程基本上就是研磨、混合、加熱、密封、抽真空等步驟,來回大概三天以內、就能生成 Pb₉Cu(PO₄)₆O,也就是 LK-99。根據他們的論文所述,這個晶體結構的形變會在材料內部產生應力,從而在特定截面產生「超導量子阱」(superconducting quantum well,SQW),致使材料產生了超導特性。這一系列過程都在常溫、常壓下進行的,且LK-99的超導特性可以維持到攝氏 127 度的高溫。

簡單來說,這個 LK-99 的超導性質與溫度、壓力無關,而是肇因於晶體本身,特定的結構形變導致了物質產生超導現象。在他們發布的影片中,可以看見灰黑色的 LK-99「部分懸浮」在磁鐵上,這是他們用來佐證「完全抗磁性」(麥斯納效應) 的證據,之所以沒有完美地懸浮是因為晶體的雜質所導致;此外,他們也宣稱測量結果顯示零電阻率,也就是電阻完全消失的「超導電性」。當「零電阻率」、「完全抗磁性」這兩個條件充分具備後,LK-99 便可以被視為一個成功的室溫超導體。

A black piece of coal on a round metal container

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影片中所顯示的 LK-99 具有部分懸浮的特性。圖/Wikimedia

在論文推出後,世界各地的學術機構與實驗室開始著手復現 LK-99 的製備過程、並競相發表研究成果,短短不到兩週時間,關於 LK-99 的復現實驗以及理論相關的研究已經有二十多項。然而,截至目前(2023 年 8 月 10 日)為止,尚未有成功復現、且通過同行審核被登上期刊的成果(論文發表在學術預印本網站 arXiv,一般需要通過同行審核才有機會被刊登在期刊)。實驗的成果不盡相同,有些證明了 LK-99 的懸浮與抗磁性、有些證明了零電阻率,但也有一些只有觀測到電阻的跳變、有些甚至沒有觀測到任何結果。

一個值得注意的部分是:即使韓國研究團隊的論文中宣稱他們觀測到 LK-99 的抗磁性,也有不少團隊復現 LK-99 的懸浮特性,然而,這並不能斷定它來自於「麥斯納效應」。事實上,不少磁性物質都會有「抗磁性」,這來自於微觀的分子磁矩;但超導體所具備的是由宏觀「超導電流」產生的「完全抗磁性」(注意:本文目前為止強調的都是「完全」抗磁性),甚至能因麥斯納效應產生的磁通量而「固定懸浮」在同一位置(即使將底座磁鐵 180 度反轉,它也應當平穩地懸浮在相同的角度——這背後是複雜的量子機制,而非磁場或靜力平衡的結果)。另一方面,即使一些實驗發現了該物質有「零電阻」的結果,但這並不全然等同於「零電阻率」,因為如果測量的尺寸過小、也是會有量測不出電阻的可能性。因此,目前大部分的研究指向大概是:LK-99 或許具有抗磁性,但並未被證實存在有明確的超導行為。

歷史借鏡與未來展望

事實上,物理學家對於室溫超導的聖杯之旅一直以來從未間斷。舉例而言,2020 年,美國羅徹斯特大學以迪亞斯(Ranga P. Dias)為首的團隊便號稱開發出了一種名為 carbonaceous sulfur hydride 的超導材料,利用鑽石生成,並在 288 K (15 °C)、267 GPa 的環境下具有超導特性,甚至登上《自然》期刊,但該論文在兩年後因為統計分析結果的瑕疵而被撤銷;2023 年初,該團隊再次宣稱開發出了以 lutetium hydride(氫化鑥)為主的超導材料,這次的結果更令人驚豔——在 294 K (23 °C)、1 GPa(約莫一萬大氣壓)下便具有超導特性。可惜的是,該論文後來也因為涉嫌抄襲與偽造數據而被撤下。

科學最重要的一個評判標準就是它必須是「可證偽的」(falsifiable),對於從事實驗的科研人員而言,一個發明是否能被確立最關鍵的要素便在於實驗「可復現」(repeatable) 與否。如果一個實驗無法被成功復現,便很難說服學界接受研究成果。目前看來,南韓團隊所研發的 LK-99 可能無法算是成功的室溫超導體,不過我們也無需氣餒;儘管 LK-99 的超導行為目前尚未被成功復現與證實,但多少也給人們開闢一條研究蹊徑。

人類對於室溫超導體的探索從未間斷,物理學家們也嘗試以各種材料進行研發、希冀能儘早將璀璨的遠景付諸現實。雖然人們所憧憬的那種像科幻片中先進且便捷的「未來世界」可能不會在明天就來臨,但以當前科學日新月異的發展步調來說,也許已是指日可待。

A train on a track

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超導的應用早已陸續浮現在生活中,日本的超高速列車 SCMaglev 便用到了低溫超導的磁浮特性。圖/scmaglev.jr
Castaly Fan (范欽淨)_96
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。