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混合與否,附著力參一腳!

科景_96
・2011/02/08 ・988字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 501 ・六年級
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Original publish date:Jun 29, 2003

編輯 Keelungman 報導

如果我們把兩堆不同種類的顆粒放進滾筒裡面,讓滾筒滾動攪拌,那麼這兩種顆 粒是否能均勻混合呢?答案通常得視這些顆粒的性質而定。不過就常識來判斷, 濕的顆粒應該總是比乾的顆粒要來得容易混合。然而在五月九日的 Physical Review Letters 期刊上,兩位來自 University of Pittsburgh 的科學家發表 了一些不一樣的新發現。

Hongming Li 與 Joseph McCarthy 設計的顆粒混合實驗中,顆粒採用了玻璃或 壓克力的圓珠,而滾筒是經疏水性矽甲烷處理的玻璃材質(可避免顆粒附著),直徑 14 公分,深度 2 公分。在混合的時候滾筒轉速設定得很慢(約在 6-9 rpm),而 混合時顆粒間的主要作用力,是在於分散在顆粒間的水對顆粒附著的結合力,以 及顆粒自身的重力。他們發現,有些原本在乾燥的狀況下可以混合得很好的顆粒, 沾濕後用滾筒攪拌反而分開了(見圖 http://focus.aps.org/stories/v11/st20 /pic-v11-st20-1),反之亦然。

於是他們提出了一個簡單的理論。利用一個無因次係數,其中包含了液體表面張 力係數,與材質的接觸角(代表材質的親疏水性),顆粒尺寸與密度等的組合, 來說明顆粒受作用力的情形。這個無因次係數代表著顆粒附著的結合力與顆粒重 力的比值。將混合時不同顆粒組合的無因次係數,對顆粒的密度比、半徑比,以 及其材質的接觸角餘弦比作圖,可得到顆粒能否均勻混合的相圖。將這個結果與 不同參數下的實驗結果比較,可得到一致的結果:當兩種顆粒的大小相近時,附 著力(親疏水性)不同會造成兩種顆粒的分離﹔相對的若顆粒大小不同,附著力 卻有助於顆粒的團聚而混合。另一方面,如果顆粒的材質相似而大小不同時,大 小不同的顆粒會彼此分離,如同巴西堅果效應一般

實驗與計算的結果都顯示了:當混合不同親疏水性的顆粒時,在中間加入液體會 導致顆粒混合的狀態發生顯著的變化。這項研究不但挑戰了我們的常識,同時也 讓我們省思:有許多由常識為基礎所設計的機器(如製藥廠的藥品攪拌器)也會 不會潛藏這類的問題呢?

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原始論文:
Hongming Li and J. J. McCarthy, Phys. Rev. Lett. 90, 184301

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Nov 10, 2007] 沒有表面張力的流體
  • [Jun 17, 2004] 穿著洞洞裝的流體
  • [Dec 28, 2002] 是結實的固體或散沙?
  • [Apr 25, 2001] 什錦果麥盒中的大堅果為什麼會在最上層?

  • 文章難易度
    科景_96
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    Sciscape成立於1999年4月,為一非營利的專業科學新聞網站。

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    人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
    鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
    ・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

    本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

    營養品的吸收率如何?

    藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

    你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

    當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

    首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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    你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

    為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

    自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

    還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

    除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

    隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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    Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
    鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
    ・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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    本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

    在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

    先進製程:效能飛躍提升

    現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

    其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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    另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

    而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

    圖/PanSci

    Tile 架構:釋放多核心潛能

    在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

    CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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    鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

    Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

    2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

    圖/Intel

    而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

    運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

    除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

    MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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    除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

    Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

    軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

    此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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    鎖定薄層 TIRF 顯微鏡成單分子研究關鍵
    顯微觀點_96
    ・2024/05/20 ・2229字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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    本文轉載自顯微觀點

    鎖定薄層 TIRF 顯微鏡成單分子研究關鍵

    首圖

    單分子技術(single-molecule techniques)主要是觀察「個別」分子特性和反應過程;其中,全內角反射螢光顯微鏡(Total Internal Reflection Fluorescence, TIRF)是單分子研究的基礎關鍵技術。

    生物研究中,螢光顯微鏡是常見的儀器,利用螢光標記特定的分子。當螢光分子被特定波長的入射光激發,從低能階躍遷至高能階後,掉回原本低階能狀態的過程,便會而釋放出光子,發光成像。

    但傳統寬視野螢光顯微鏡會激發整個深度的螢光分子,因此也會同時激發目標區以外的分子而造成雜訊;TIRF 則是利用介質的差異,將照明限制在較淺的深度、約 200 奈米以內,便可有效減少背景訊號。

    還記得之前文章曾提過,當光從一種介質傳遞到另一種介質,部分反射,部分因為波速變化而發生折射,例如從水到空氣。

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    折射角度遵守斯涅耳定律(Snell’s law):n1 × sinθ1 = n2 × sinθ2

    其中,若 n1 折射率較高(光密介質)、n2 折射率較低(光疏介質),光線從 n1 射向 n2。

    當入射角 θ1 小於臨界角 θc 時,光線部分往 n2 介質以 θ2 角度折射,部分往 n1 介質以 θ1 角度反射;當入射角 θ1 大於臨界角 θc 時,則沒有折射光線,產生全反射現象。

    雖然全反射時,光不會進入第二介質發生折射,但在介面處仍會產生漸逝波(evanescent wave)。漸逝波的頻率與入射光相同,且強度隨與介面的距離增加呈指數衰減,並垂直介面、沿著 z 方向最多達到奈米級的深度。

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    反射
    反射
    Tirf 影像

    全反射時在介面處仍會產生漸逝波(左圖),TIRF 顯微鏡利用此作為螢光激發光源,將照明限制在較淺的深度(右圖左)。圖片來源:Olympus 官網

    而穿透深度(d) 取決於入射照明的波長(λ)、入射角(θ1)以及介質的折射率(n)。

    d = λ/4π × (n12 sin2θ1 – n22)-1/2

    TIRF 顯微鏡便是利用這樣的漸逝波作為激發光源,激發樣本介面的螢光分子,產生全反射螢光影像。

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    TIRF 顯微鏡依據光入射路徑,可分為稜鏡型(prism-based) 與物鏡型(objective-based) 兩類。

    稜鏡型和物鏡型
    TIRF 顯微鏡可分為稜鏡型(prism-based) 與物鏡型(objective-based) 兩類。圖片來源:Chemical Review 網站

    在稜鏡型 TIRF 中,在樣本另一側使用稜鏡產生全反射,以激發細胞培養基上的螢光生物樣本,不需要特殊物鏡。但稜鏡型 TIRF 為了要達到較高的解析度,接收螢光的物鏡工作距離較短,樣本和物鏡間的空間較小,限制了研究者進一步對樣本進行操作。

    物鏡型 TIRF 則是將物鏡除了作為收集螢光信號的鏡頭外,同時也作為發生全反射的稜鏡。入射光從物鏡邊緣射向樣本,並使用高數值孔徑(NA 通常在 1.45 以上)的物鏡實現大於臨界角的入射角,以產生全反射。

    樣本與蓋玻片介面處產生漸逝波,激發樣本表面區域的螢光物質,同時以高數值孔徑的同一物鏡收集螢光顯微鏡影像。

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    理論上,一般光源也可作為全反射螢光顯微鏡的光源,但前面提到穿透深度與波長、入射角及折射率等都有關係,因此常以雷射作為光源。例如中研院單分子生物核心實驗室就以三個常用波長(485、532、640 nm)的雷射作為光源,並自動調節入射光源角度及漸逝波穿透深度。

    由於 TIRF 顯微鏡的可觀察深度僅在 200 奈米以內,因此常結合螢光共振能量轉換法(fluorescence resonance energy transfer, FRET)、光鉗(optical tweezer)等技術,大量地應用在蛋白質、細胞膜等研究。而相較於也能鎖定 z 軸光學切面、不會受到太多背景干擾的共軛焦顯微鏡,TIRF 也能以更快速度獲取細胞膜運送物質,如胞吞、胞吐等作用的影像。

    中研院單分子生物核心實驗室負責人黃婉媜便曾提到,由於 TIRF 顯微鏡的可觀察深度僅在 200 奈米以內,恰好細胞膜上非常多離子通道和受體以及訊息傳遞分子都位於此深度內,是研究藥物作用及藥物動力學很好的工具。

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    中研院單分子生物核心實驗室使用 TIRF 顯微鏡結合 FRET 技術,偵測蛋白質與 DNA 分子間交互作用。攝影/楊雅棠

    參考資料

    1. 胡書銘(2008)。全反射螢光顯微術於生物單分子研究的樣品簡易處理。科儀新知,(164),82-88。
    2. 楊德明、林夏玉、蔡定平(2003)。全反射原理及在生物螢光顯微鏡之應用。科儀新知,(133),67-73。
    3. Olympus: Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy
    4. MICROSCOPY U:Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy

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    顯微觀點_96
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    從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。