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為什麼壁虎能飛簷走壁?壁虎之「爪」所藏有的秘密!——《黏黏滑滑》

晨星出版
・2023/01/08 ・3040字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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潮濕環境中就算是壁虎也會腳滑?

這引我走上另一條路徑。有鑑於凡得瓦力靠得是兩個平面之間緊密接觸,如果是像史塔克教授提到的大溪地雨林那樣潮溼的環境,會發生什麼狀況呢?有水是否會改變壁虎的抓力?或者,如我假裝專業問她的問題,潮溼的壁虎可以黏在物體上嗎?

史塔克是討論這個問題的絕佳人選。為了更透徹理解真實世界的環境如何運作,她與研究夥伴一起花了好幾年時間探究表層水對壁虎黏附力的影響。她一開始先測量大壁虎在三種玻璃樣本上的黏附力—乾燥、用水滴稍微沾濕,以及完全浸泡在水中。

壁虎被放置在各個表面上,再用小型電動吊帶輕輕往後拖(沒錯,你沒看錯),直到牠們的四足全都移動。這能讓研究人員測量克服壁虎黏性所需的力量—稱為最大剪切黏附力(shearadhesion force)。

他們發現壁虎在潮溼的玻璃表面上,黏附力會明顯下降。

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「這讓我們很吃驚,尤其是有那麼多種壁虎生活在高濕度、高降雨量的環境中,」史塔克說。

「我們測量了四足完全泡在水中時的最低黏附力,這時候水絕對會干擾以凡得瓦力為基礎的黏附力所需的密切接觸。」但她承認,這個狀況在野外大概沒那麼普遍。

「實際而言,相較於走進暴雨之中並踩入深水坑,壁虎更有可能接觸到僅稍微沾濕的表面。」即使如此,史塔克在稍微沾濕的表面測得的力量,還是比足趾乾燥走過乾燥玻璃的壁虎還低(或比較不黏)。

大多數情況下,牠們依然有剛剛好的抓力可以承受自己的體重,但是當環境變得潮溼,壁虎的黏附力就會開始減弱。其中發生了什麼事?

壁虎腳趾的「疏水」特性

回到第一章,我們得知液體黏附於表面的能力關乎表面能和可濕性。壁虎趾墊極度疏水。它們會有效地排斥水,所以當蜥蜴把足部伸入水坑,會在足趾周圍形成微小的氣囊;水被推開,保持足趾乾燥。但是這項除水的能力有其限制,取決於壁虎最後踩上的表面。

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壁虎的足趾具有極高的疏水性。圖/envatoelements

在史塔克的研究中,她著重在玻璃表面,這是因為玻璃具有親水性,會吸水。當壁虎的足部接觸到潮溼的玻璃,牠無法完全把水推開,如史塔克的解釋,這會中斷提供壁虎大部分抓力的凡得瓦力。

此外,壁虎的足部泡在水中過了 30 分鐘後,牠們的足趾似乎會暫時失去傑出的防潑水能力。水會湧入皮瓣,更進一步減弱牠們的抓力,使得玻璃似乎更滑。

但是如果表面本身就具疏水性,那一切對壁虎來說就簡單多了。在那樣的情況下,其足部和表面都會排斥水,因此兩者接觸時也會很乾燥。那對壁虎而言是理想的狀況—沒有水,其剛毛和匙突都能用來黏附。

這也反映出許多物種在野外會遇到的環境:從有蠟的樹葉到樹幹,疏水性表面在自然界中不足為奇。重要的是,壁虎奔跑的頻率高於行走,史塔克之後證實,這有助於牠們更有效率地甩掉足趾上的水。

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鐵弗龍攀爬實驗

體悟到可濕性是壁虎抓力的關鍵因子,促使許多研究團體開始探究壁虎碰到工程性疏水表面會發生什麼事—最有名的研究是壁虎與鐵弗龍的比賽,首次討論在 1960 年代晚期開始。

德國科學家烏維.希勒(Uwe Hiller)發表的實驗指出,疏水性、表面能偏低的材料(如鐵弗龍),對壁虎而言太滑了,爬不上去。即使他用帶電粒子撞擊鐵弗龍以增加表面能,他的實驗壁虎依然難以爬得更遠。針對單一剛毛的實驗也得到一樣的結果。

所以我們也許能理解,史塔克沒有很想在 2013 年再次測試該材料的原因。「不過我的本科學生非常好奇會發生什麼狀況,所以我最後還是同意了。」他們發現的結果讓所有人都大吃一驚。根據他們的結果,活壁虎可以爬上鐵弗龍,但只有在有水的情況下才辦得到。

「就是那些罕見的發現既讓我們困惑,但也證實我們在野外所見的狀況,」史塔克說。

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「我們知道壁虎可以毫不費力地爬上最滑的樹木和植物,即使在大洪水過後也一樣,所以水顯然對牠們來說不是大問題。但是我們的模型就是沒預測到在鐵弗龍的結果。」

壁虎能輕易爬上最滑的樹木和植物。圖/envatoelements

另一個結果就沒那麼令人意外—在中度可濕的材料上,水似乎沒造成什麼差異。壁虎在潮溼和乾燥表面上都能緊緊抓附。

但是超級疏水的鐵弗龍則是異數—與我們對以凡得瓦力為基礎的黏附力的認知相反,水似乎增進了壁虎的黏附表現。

研究人員表示,這個結果並不能類推到更多的材料上,而是只特定於鐵弗龍。在那篇論文中,他們歸咎於鐵弗龍的粗糙度。乾燥時,這個粗糙度可以造成空氣隙(air gap),減少表面與壁虎匙突之間的接觸區域。潮溼時,粗糙度好像有點被消除,讓足趾可以充分地緊密接觸,獲得凡得瓦吸力。

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老實說,這個解釋無法說服我,而史塔克在電話中似乎也同意我的看法。我們單純無法解釋我們的結果,或為何鐵弗龍與其他材料如此不同。在之後的實驗中,我們擾亂它的粗糙度和氟化作用(一種表面加工),以檢視有無任何變化。我們發現後者對黏附力有比較大的影響。我們懷疑靜電可能也有關係,但是還無法肯定。

壁虎黏附系統的未解謎題

壁虎黏附力的主要機制來自凡得瓦力,這似乎毫無疑問,但是我與研究人員對談,加上讀了多於我想承認的期刊論文後,我愈來愈認為不只如此。儘管我們不斷又相當密集地進行研究,我們可能還未揭露壁虎黏附系統的所有秘密。

例如,我們依然還沒全面釐清潮溼環境下的角蛋白剛毛發生什麼事。人體的毛髮極容易受濕度影響,主要是因為水有助於α- 角蛋白的鄰近股之間形成暫時的氫鍵。雖然它跟壁虎的β- 角蛋白之間有一些化學差異,但水似乎也有可能也會對其機械性特質產生作用。

歐騰毫無疑問相信這件事。他在 2011 年發表的一篇文章中,發現濕度提升得愈高,剛毛會變得愈軟,但是我們不知道在「整隻動物」規模時會怎麼運作。還有許多細胞生物學家認為角蛋白毛髮有額外的功能—蛋白質表面自然產生的正電荷似乎會進一步增強凡得瓦效應。最後, 2011 年,在一間黑暗的研究實驗室中,發現了一些神祕的壁虎腳印。

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「我們發表那篇論文時並不太受歡迎」當我問起這篇論文時,史塔克笑著說。「大家都說壁虎使用的是無殘膠、乾淨的黏附系統,但是如果是這樣的話,這些腳印是哪裡來的?牠們留下了一些東西,我們從未在其他地方看到相關報告。」

史塔克跟她的研究夥伴發現殘留物含有脂質—這是通常在像蠟和油這種「滑溜」物質會發現的化合物。她也指出,這些脂質集中並環繞著剛毛,讓她認為這與角蛋白有關。但是她承認,他們還無法解釋出現這些脂質的原因,或它們究竟是哪裡來的。

「我們就是沒有答案,雖然我們懷疑那跟快速切換黏性和快速移動有關。可能就是這些脂質有助於剛毛和匙突潔淨又無塵。或是脂質可能與毛髮的結構有關聯。不管是哪個原因,都讓我們知道目前以β- 角蛋白均質柱狀物為基礎的模式並不完整。」

這些尚待解答的問題,只會讓壁虎的黏附系統更加迷人和值得研究。其性能也使其成為工程和材料科學界源源不斷的靈感來源。

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——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載

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上網也要有「技術」!從言論、隱私到國安,你我都該懂的界線
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/18 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

以為鍵盤俠天下無敵?小心一個不留神就觸法!人們常忽略「網路並非法外之地」這個重要事實。不只現實生活中的法律同樣適用於網路空間,隨著科技發展,更多應網路特性而生的法律規範也相繼出現。從基本的言論自由到隱私權保護,從智慧財產權到國家安全,法律體系正全面性地回應數位時代的種種挑戰。

在臺灣,網路上的言論自由權利源自《憲法》第 11 條的明確規定:「人民有言論、講學、著作及出版之自由。」釋字第 509 號則指出,「國家應給予最大限度之維護,俾其實現自我、溝通意見、追求真理及監督各種政治或社會活動之功能得以發揮。」網路快速傳播的特性放大了言論的影響力,而大法官的解釋將言論自由的邊際刻畫得更明確,這在數位時代裡顯得格外重要。

網路與社群媒體的快速傳播,放大了言論的影響力。圖/unsplash

網路上的性、暴力與未成年保護

顯然言論自由並非是毫無限制,2023 年 11 月的一起案件就展現其中一種界線的樣貌。當時,一名 36 歲男子將他和網友在網咖的性愛影片上傳至推特,還寫下「《網咖包廂實戰計 1》我跟某公司 OL 戰鬥」等文字。這段影片一經發布,當事女子立即採取法律行動。最終,法院依其以網際網路「供人觀覽猥褻影像」的罪名,判處該名男子拘役 30 日,得易科罰金。這個判決清楚說明了,即便在虛擬空間,散布猥褻影像仍須承擔實質的法律責任。

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特別是在保護未成年人方面,法律的規範更加嚴格。《刑法》第 235 條明文禁止散布、播送或販賣猥褻物品,無論形式是圖文、聲音還是影像。而《兒童及少年性剝削防制條例》第 36 條更進一步禁止任何形式的兒童色情製品被製造、散布和持有。2019年彰化縣曾層發生過這樣一起案件:一名陳姓中年男子將9歲女童帶往居所,不僅強迫她觀看色情影片,還對她進行猥褻行為,甚至將過程上傳至 Google 雲端。儘管他後來試圖以資助女童就學表達悔意,法院仍以加重強制猥褻等罪,判處他 4 年 4 個月有期徒刑。

不實言論的散布同樣可能觸犯法律。2021 年 9 月爆發的「台大狼師案」就是一個警示。一名女大生在網路上指控教師誘騙她發生關係並傳染性病,幾個月後又指控對方對她進行強制性行為。當她提出告訴時,檢方卻查無性侵事實,加上她反覆的說詞,不僅性侵告訴失敗,還因誹謗罪反被加重判刑。

當駭客、間諜都轉戰網路戰場

2013 年,一名退役空軍上校赴陸經商時被情治單位吸收,返台後透過人脈網絡發展組織、刺探軍事機密,並以空殼公司掩護非法報酬,這個情報網持續運作了 8 年之久。

在涉及國家安全的議題上,法律的態度更是嚴厲。根據《國家安全法》第 2 條的規定,任何人都不得為境外敵對勢力及其控制的組織、機構進行資助、主持、操縱、指揮或發展組織,更不能洩漏、交付或傳遞公務機密,違反者將面臨嚴厲的刑事處罰。《刑法》規定,意圖破壞國體、竊據國土,或以非法方法變更國憲、顛覆政府者,處7年以上有期徒刑,首謀更要判處無期徒刑。

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抄襲與轉貼的邊界在哪裡?

在智慧財產權的保護上,臺灣也經歷了數位時代的轉變。台灣第一個網路著作權相關判決,就發生在傳統出版與數位平台的碰撞之中。南方社區文化網路負責人陳豐偉等三人在中山大學 BBS 上發表的文章,未經同意就被《光碟月刊》收錄在隨刊光碟中發行。三人向台北地檢署提告後,《光碟月刊》發行人兼總經理黃俊義被判處七個月有期徒刑,緩刑三年。這個判決為數位時代的著作權保護樹立了重要典範。

臺灣首例網路著作權案判決,為數位時代智慧財產權保護樹立典範。圖/envato

近年來,影音平台的著作權爭議更趨複雜。2022 年,知名 YouTube 頻道「觸電網」就因為片商車庫娛樂檢舉七十多支未經授權的影片,導致經營 12 年的頻道被迫下架。車庫娛樂透過律師聲明,這是針對「未經合法授權影音內容」的標準處理,並表明將追究民事與刑事責任。

受害了怎麼辦?申訴管道報你知

當我們在網路上的權利受到侵害時,可以根據侵害類型尋求不同的救濟管道。最基本的言論自由權利受到侵犯時,可以先向社群平台提出檢舉。若遇到更嚴重的情況,如散布猥褻影像、非法性私密影片等,除了平台檢舉外,還可以向警方提告,或是尋求衛福部「性影像處理中心」的協助。

在面對網路霸凌、不實言論時,可以向台灣事實查核中心、MyGoPen 等組織求助,協助澄清真相。若發現有害兒少身心健康的不當內容,則可以向 iWIN 網路內容防護機構提出申訴。這個由國家通訊傳播委員會支持的組織,會在受理後進行查核、轉介業者改善或依法處理。

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智慧財產權的侵害在網路時代極為常見,就像「觸電網」遭片商檢舉下架的案例。這類情況可以透過平台既有的著作權保護機制處理,情節嚴重者也可以提起民事訴訟要求賠償。若發現可疑的廣告或不公平交易行為,則可以向公平交易委員會檢舉;若是特定領域的違規內容,則應該向各該主管機關反映,例如藥品廣告歸衛福部管轄、證券期貨廣告則由金管會負責。

網路時代的法律規範正不斷演進,從個人隱私到國家安全,從言論自由到智慧財產權,每個面向都在尋求數位環境下的最佳平衡點。作為網路使用者,我們必須理解並遵守這些法律界線,同時也要懂得運用各種救濟管道保護自身權益。唯有每個人都清楚了解並遵守這些規範,才能共同營造一個更安全、更有序的網路環境。

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當心網路陷阱!從媒體識讀、防詐騙到個資保護的安全守則
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/17 ・3006字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

網路已成為現代人生活中不可或缺的一部分,可伴隨著便利而來的,還有層出不窮的風險與威脅。從充斥網路的惡假害訊息,到日益精進的詐騙手法,再到個人隱私的安全隱憂,這些都是我們每天必須面對的潛在危機。2023 年網路購物詐欺案件達 4,600 起,較前一年多出 41%。這樣的數據背後,正反映出我們對網路安全意識的迫切需求⋯⋯

「第一手快訊」背後的騙局真相

在深入探討網路世界的風險之前,我們必須先理解「錯誤訊息」和「假訊息」的本質差異。錯誤訊息通常源於時效性考量下的查證不足或作業疏漏,屬於非刻意造假的不實資訊。相較之下,假訊息則帶有「惡、假、害」的特性,是出於惡意、虛偽假造且意圖造成危害的資訊。

2018 年的關西機場事件就是一個鮮明的例子。當時,燕子颱風重創日本關西機場,數千旅客受困其中。中國媒體隨即大肆宣傳他們的大使館如何派車前往營救中國旅客,這則未經證實的消息從微博開始蔓延,很快就擴散到各個內容農場。更令人遺憾的是,這則假訊息最終導致當時的外交部駐大阪辦事處處長蘇啟誠,因不堪輿論壓力而選擇結束生命。

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同年,另一則「5G 會抑制人體免疫系統」的不實訊息在網路上廣為流傳。這則訊息聲稱 5G 技術會影響人體免疫力、導致更容易感染疾病。儘管科學家多次出面澄清這完全是毫無根據的說法,但仍有許多人選擇相信並持續轉發。類似的例子還有 2018 年 2 月底 3 月初,因量販業者不當行銷與造謠漲價,加上媒體跟進報導,而導致民眾瘋狂搶購衛生紙的「安屎之亂」。這些案例都說明了假訊息對社會秩序的巨大衝擊。

提升媒體識讀能力,對抗錯假訊息

面對如此猖獗的假訊息,我們首要之務就是提升媒體識讀能力。每當接觸到訊息時,都應先評估發布該消息的媒體背景,包括其成立時間、背後所有者以及過往的報導記錄。知名度高、歷史悠久的主流媒體通常較為可靠,但仍然不能完全放下戒心。如果某則消息只出現在不知名的網站或社群媒體帳號上,而主流媒體卻未有相關報導,就更要多加留意了。

提升媒體識讀能力,檢視媒體背景,警惕來源不明的訊息。圖/envato

在實際的資訊查證過程中,我們還需要特別關注作者的身分背景。一篇可信的報導通常會具名,而且作者往往是該領域的資深記者或專家。我們可以搜索作者的其他作品,了解他們的專業背景和過往信譽。相對地,匿名或難以查證作者背景的文章,就需要更謹慎對待。同時,也要追溯消息的原始來源,確認報導是否明確指出消息從何而來,是一手資料還是二手轉述。留意發布日期也很重要,以免落入被重新包裝的舊聞陷阱。

這優惠好得太誇張?談網路詐騙與個資安全

除了假訊息的威脅,網路詐騙同樣令人憂心。從最基本的網路釣魚到複雜的身分盜用,詐騙手法不斷推陳出新。就拿網路釣魚來說,犯罪者通常會偽裝成合法機構的人員,透過電子郵件、電話或簡訊聯繫目標,企圖誘使當事人提供個人身分、銀行和信用卡詳細資料以及密碼等敏感資訊。這些資訊一旦落入歹徒手中,很可能被用來進行身分盜用和造成經濟損失。

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網路詐騙手法不斷進化,釣魚詐騙便常以偽裝合法機構誘取敏感資訊。圖/envato

資安業者趨勢科技的調查就發現,中國駭客組織「Earth Lusca」在 2023 年 12 月至隔年 1 月期間,利用談論兩岸地緣政治議題的文件,發起了一連串的網路釣魚攻擊。這些看似專業的政治分析文件,實際上是在臺灣總統大選投票日的兩天前才建立的誘餌,目的就是為了竊取資訊,企圖影響國家的政治情勢。

網路詐騙還有一些更常見的特徵。首先是那些好到令人難以置信的優惠,像是「中獎得到 iPhone 或其他奢侈品」的訊息。其次是製造緊迫感,這是詐騙集團最常用的策略之一,他們會要求受害者必須在極短時間內作出回應。此外,不尋常的寄件者與可疑的附件也都是警訊,一不小心可能就會點到含有勒索軟體或其他惡意程式的連結。

在個人隱私保護方面,社群媒體的普及更是帶來了新的挑戰。2020 年,一個發生在澳洲的案例就很具有警示意義。當時的澳洲前總理艾伯特在 Instagram 上分享了自己的登機證照片,結果一位網路安全服務公司主管僅憑這張圖片,就成功取得了艾伯特的電話與護照號碼等個人資料。雖然這位駭客最終選擇善意提醒而非惡意使用這些資訊,但這個事件仍然引發了對於在社群媒體上分享個人資訊安全性的廣泛討論。

安全防護一把罩!更新裝置、慎用 Wi-Fi、強化密碼管理

為了確保網路使用的安全,我們必須建立完整的防護網。首先是確保裝置和軟體都及時更新到最新版本,包括作業系統、瀏覽器、外掛程式和各類應用程式等。許多網路攻擊都是利用系統或軟體的既有弱點入侵,而這些更新往往包含了對已知安全漏洞的修補。

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在使用公共 Wi-Fi 時也要特別當心。許多公共 Wi-Fi 缺乏適當的加密和身分驗證機制,讓不法分子有機可乘,能夠輕易地攔截使用者的網路流量,竊取帳號密碼、信用卡資訊等敏感數據。因此,在咖啡廳、機場、車站等公共場所,都應該避免使用不明的免費 Wi-Fi 處理重要事務或進行線上購物。如果必須連上公用 Wi-Fi,也要記得停用裝置的檔案共享功能。

使用公共 Wi-Fi 時,避免處理敏感事務,因可能存在數據被攔截與盜取的風險。圖/envato

密碼管理同樣至關重要。我們應該為不同的帳戶設置獨特且具有高強度的密碼,結合大小寫字母、數字和符號,創造出難以被猜測的組合。密碼長度通常建議在 8~12 個字元之間,且要避免使用個人資訊相關的詞彙,如姓名、生日或電話號碼。定期更換密碼也是必要的,建議每 3~6 個月更換一次。研究顯示,在網路犯罪的受害者中,高達八成的案例都與密碼強度不足有關。

最後,我們還要特別注意社群媒體上的隱私設定。許多人在初次設定後就不再關心,但實際上我們都必須定期檢查並調整這些設定,確保自己清楚瞭解「誰可以查看你的貼文」。同時,也要謹慎管理好友名單,適時移除一些不再聯繫或根本不認識的人。在安裝新的應用程式時,也要仔細審視其要求的權限,只給予必要的存取權限。

提升網路安全基於習慣培養。辨識假訊息的特徵、防範詐騙的警覺心、保護個人隱私的方法⋯⋯每一個環節都不容忽視。唯有這樣,我們才能在享受網路帶來便利的同時,也確保自身的安全!

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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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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