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你也可以做的奈米碳管薄片

科景_96
・2011/02/09 ・2374字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 554 ・八年級
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Original publish date:Sep 08, 2005

編輯 Keelungman 報導

德州大學達拉斯分校與澳洲 CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) 的研究團隊最近研發出一種 製程,利用簡單的方法(也許只要用到一張 3M Post-it 便條紙) ,就可以將奈米碳管編成 5 公分寬,數公尺長的薄片!而這條奈米 碳管薄片機械強度高、可導電、而且近乎透明,具有多種應用的潛 力。

奈米碳管具有很高的機械強度,但是單根的碳管的長度卻很短,一 般 CVD 製程下所製造的奈米碳管長度約數百微米左右,這麼小的尺 寸限制了它在應用上的自由度。多年以來,科學家們試圖利用各種 技術來加長單根碳管的長度,甚至把許多碳管拼合成尺寸更大的材 料。目前最長的奈米碳管可到 20 公分,這雖然是可觀的進步,但 是這樣的長度仍然不足以應付多樣性的應用需求。另一方面,編紡 奈米碳管的技術也不斷地進展著。

2000 年一組法國的科學家將單壁奈米碳管 (single wall carbon nanotube, SWNT) 混合分散在硫酸十二酯鈉 (sodium dodecyl sulfate, SDS) 溶液中,再將該混合液注進 5 wt% 的聚乙烯醇 (Poly vinyl alcohol, PVA) 溶液內,原本分散的奈米碳管在製 程中糾結起來,最後可以提取出寬度為數百微米左右,長度可無限 延伸的奈米管帶。

2002 年,北京清大的科學家首度利用乾式方法,直接將鍍在矽晶圓 上的奈米碳管陣列抽絲紡成繩索,繩索長度可達 30 公分。他們發 現:若要成功地將奈米碳管直接紡成繩索,這些奈米碳管必須平行 排列,同時奈米管之間貼得非常緊密,彼此以 van der Waals 力黏 在一塊。這種碳管陣列就是所謂的「奈米碳管叢林」。這些科學家 同時發現他們製造出的奈米碳管繩索似乎有多種用途:可以放進燈 泡裡當燈絲;或是將細繩平行排列後當作偏振片。

2004 年劍橋大學的科學家還完成了將還在化學氣相沉積反應 (chemical vapor deposition, CVD) 區域中的奈米碳管直接抽紡成 纖維的實驗。他們以乙醇為碳源,並溶入 0.23 到 2.3 wt% 的二茂 鐵 (ferrocene) 與 1.0 到 4.0 wt% 的吩 (thiophene),同時和流 量 400 到 800 ml/min 的氫氣一起通入反應區中,當反應溫度達 1050 到 1200℃ 時會產生奈米碳管,其中所產生的多壁奈米碳管 (multi wall carbon nanotube, MWNT) 直徑 30 nm、長度約 30 微 米。在反應區中奈米碳管會形成像氣凝膠 (aerogel) 一般的結構, 可以直接用紡軸將它抽紡成纖維或緞帶。只要原料源源不絕地注入 反應區中,就可以不斷地製造纖維。

這些技術雖然已能將奈米碳管紡成繩索,但是在結構強度上仍有待 提升。也在 2004 年,德州大學達拉斯分校與澳洲 CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) 的研究團隊將奈米碳管叢林抽紡的細繩做進一步加 工,將許多細股絲線纏繞在一起,編造出十分強固的繩索,單位截 面所承受的張力可達近六千倍大氣壓 (目前最強的碳纖約可承受九 千倍大氣壓)。

今年 (2005) 八月,這個團隊提出一種新的技術:同樣利用奈米碳 管叢林為原料,只要用些工具 (如一張 3M Post-it 便條紙) 黏住 管叢的邊緣並緩緩地往外拉,就可以扯出一大片的奈米碳管。他們 的奈米碳管屬於 MWNT,管徑約 10nm,高度約在 75 到 300 微米之 間。在他們的製程中,一公分長 245 微米高的奈米碳管叢林可以被 拉成三公尺長、厚度約 18 微米的薄片!整片密度只有 0.0015g/cm^3,可說是一種氣凝膠。但與一般氣凝膠不同的,這裡 面碳管的排列非常有規律,都沿著製造時的拉伸方向延伸。將兩片 薄片垂直交疊排列,其上可承受比薄片重量高五萬倍的水滴。將薄 片層層相疊後夾在兩玻片間,浸潤在酒精中予以壓實,可製作出厚 度 50 奈米、密度 0.5g/cm^3 的奈米薄片。這種奈米薄片中碳管排 列的方向性不如擠壓前要好,這是因為原本碳管在薄片中上下彎曲 的不規則性,在擠壓過程中被投射到水平面上的緣故。

以 SEM 觀察奈米碳管從管叢拉到薄片上的過程,可以發現到原本挺 直在管叢中的碳管,因為側邊受到牽引的關係被抽出來,攤到薄片 上。因為 van der Waals 的作用,被抽出的碳管在被拉的過程中也 牽動管叢中緊靠在旁邊的碳管,連帶使周邊的碳管跟著被拉到薄片 上。就這樣一條接著一條地拉扯,從奈米管叢邊連續地抽出奈米薄 片來。科學家還發現,平均高度越高的奈米碳管叢林,越容易被拉 成奈米薄片。

在電性與光學性質方面,奈米碳管薄片可以成為透明、可彎曲、導 電甚至發光的材料。薄片在受擠壓的前後,電阻的變化並不大,沿 碳管排列方向面電阻率約每正方形 700Ω,而受擠壓後垂直於排列方 向的面電阻率則約每正方形 7k 到 14kΩ左右。壓實的薄片對水平與 垂直於碳管方向的偏振光,透光率約為 >85% 與 >65%。如果把奈米 碳管薄片夾在兩膠片間,就可以成為可導電的透明膠片了。利用微 波,可以將奈米薄片「焊接」在金屬電極上,通大電流將薄片加熱 到 1000K 以上,就成了大面積且亮度均勻的面光源,而且發出來的 光具有高度的偏振性,其中波長 500 奈米的光偏振率可達 71%。微 波不只可將薄片焊在金屬上,甚至可以將兩塊夾著薄片的樹脂玻璃 (plexiglas) 焊在一塊!這種三明治材料擁有高度的應用價值,比 方可以拿來做加熱式的防霧車窗,或是在車窗上兜出透明的天線。

這種利用簡單技術就可製造的奈米碳管薄片,質地輕、強度高、透 明又可導電,集中眾多功能於一身,可說是近年來最夢幻的新材 料。

原始論文
Zhang M., et al. Science, 309. 1215 – 1219 (2005).

參考來源:

相關連結:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Jun 15, 2006] 奈米碳管-再硬的物質也能擠出來
  • [Jun 11, 2006] 搭電梯上太空,再等一等!
  • [Dec 18, 2005] 兼具高強度與彈性的奈米管發泡薄膜結構
  • [Jan 15, 2011] 你的衣服,能夠超導嗎?
  • [Nov 16, 2008] 超薄碳奈米管薄膜喇叭
  • [Apr 08, 2008] graphene新應用–液晶顯示器
  • [Mar 07, 2008] 反射率最低的材料
  • [Dec 13, 2006] 單壁碳奈米管的試驗性量產製程
  • [Jul 17, 2003] 奈米碳管微型氣體偵測器
  • [May 10, 2003] 會發光的碳奈米管
  • [May 03, 2003] 奈米碳管的能隙調變
  • [Apr 02, 2003] 奈米碳管流量計
  • [Dec 27, 2002] 亮不亮有關係

  • 文章難易度
    科景_96
    426 篇文章 ・ 6 位粉絲
    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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    原發型二尖瓣逆流恐中風!瓣膜修補、置換手術成功率高
    careonline_96
    ・2023/03/21 ・2309字 ・閱讀時間約 4 分鐘

    五十幾歲的王女士從年輕就知道有二尖瓣逆流的狀況,由於沒有明顯症狀,也就沒放在心上。

    有天下午,正在上班的王女士突然感到肢體無力而被緊急送到急診室。林口長庚心臟外科教授陳紹緯醫師指出,檢查確定患者有腦中風,而中風的原因與心臟有關。因為二尖瓣逆流持續惡化,漸漸導致心臟擴大,並出現心房顫動。心房顫動使心房中的血液滯留,而漸漸形成血塊,當血塊隨著血液流出心臟,便可能造成腦中風、腸中風等致命併發症。

    二尖瓣逆流是相當常見的狀況,患者一定要定期追蹤,才能把握治療時機,避免心臟功能惡化!

    心臟的左右兩邊都有心房與心室,各個腔室之間具有瓣膜,瓣膜的功能類似閘門,能夠在心臟搏動過程中適時地打開與關閉,以維持血流的方向。陳紹緯醫師說,當心臟瓣膜無法完全打開時,會造成「狹窄」讓血流無法順利通過;當瓣膜無法完全關閉時,就會導致血液「逆流」。二尖瓣是位於左心房與左心室之間的瓣膜,當二尖瓣無法於心室收縮時完全閉合,便會出現「二尖瓣逆流(mitral valve regurgitation)」。

    二尖瓣逆流的原因可分成「原發型」與「續發型」。陳紹緯醫師解釋,「原發型」指的是瓣膜的結構損壞,也就是瓣膜的腱索斷掉或太長,讓二尖瓣無法正確關閉,進而導致逆流。「續發型」則是因為心臟變大,導致二尖瓣的框架被拉大,雖然瓣膜本身結構正常,但也無法在關閉時密合,而導致逆流。

    二尖瓣逆流務必把握治療時機

    當二尖瓣膜無法完全關閉時,血液會在心臟收縮時逆流進左心房,而讓肺部血液無法流入心臟,導致肺水腫。常見症狀包括頭暈、心悸、呼吸急促、運動耐受力降低等。隨著病情惡化,會導致心臟衰竭,患者下肢水腫,無法躺平,睡覺時必須用枕頭將身體墊高,甚至端坐呼吸。二尖瓣逆流可能導致心房顫動,讓人感到心跳很快且不規則,亦會提高中風的危險。

    針對原發型二尖瓣逆流,建議透過手術修補瓣膜或置換瓣膜。陳紹緯醫師說,續發型二尖瓣逆流主要是心臟受損、擴大,手術治療的幫助較有限,一般建議用藥物治療或經導管瓣膜夾合術。

    二尖瓣逆流早期的症狀不明顯,很容易被忽略,而錯過治療時機。

    「二尖瓣逆流一般建議要早一點治療,一旦檢查確認重度二尖瓣逆流就是最佳治療時機!」陳紹緯教授說,「因為二尖瓣逆流的症狀較慢出現,往往要等到心臟功能惡化,才會出現症狀。」

    當患者的心臟功能正常,仍處於「原發型二尖瓣逆流」時,針對二尖瓣進行手術治療的效果較好;如果拖到心臟擴大、心臟功能不全時,狀況會較為棘手。

    根據二尖瓣瓣葉的活動狀態可使用由法國醫師 Carpentier 所提出的分類方式(Carpentier classification)進行評估,決定後續的治療方式。Carpentier 醫師亦發展出修補二尖瓣膜的術式,造福許多患者。

    原發型二尖瓣逆流患者的瓣膜大部分都可以修補,一般是建議進行瓣膜修補術,盡量保留患者的二尖瓣膜,進行生理性的結構重建。研究顯示二尖瓣修補術的成功率高,且長期的存活率高。陳紹緯教授說,「二尖瓣修補術已是相當成熟的技術,經驗豐富的手術團隊一般可以達到 9 成以上的成功率。因為使用患者自己的瓣膜,耐用性較佳,術後也不需因為瓣膜因素而長期服用抗凝血藥物。」

    倘若二尖瓣膜已經嚴重損壞、鈣化,例如風濕性心臟病、心內膜炎,便要考慮進行瓣膜置換手術,將損壞的瓣膜切除,再換上人工瓣膜。

    置換人工瓣膜時,會考量生物瓣膜或機械瓣膜。陳紹緯醫師分析,生物瓣膜的好處是不需因為瓣膜因素終身服用抗凝血劑,但會有使用年限的問題,可能在十幾年後得再次接受手術。機械瓣膜的好處是使用年限長,不過患者必須終身服用抗凝血劑。

    65 歲以上的患者在置換二尖瓣膜時,一般會建議使用生物瓣膜。陳紹緯教授說,65 歲以下的患者就會有各種考量,術前醫師都會與患者詳細討論後,一起做決定。

    隨著微創手術的發展,在狀況許可時也可以利用微創小傷口或達文西機器手臂輔助來執行手術。陳紹緯醫師說,好處是不需正中胸骨切開,有助減輕術後疼痛,疤痕也會比較小。在完整的術前評估下,也可以達到和傳統外科手術一樣理想的修補效果。

    貼心小提醒

    二尖瓣逆流是相當常見的狀況,雖然沒有明顯症狀,但也不能掉以輕心。患者要定期追蹤,評估二尖瓣逆流的變化。陳紹緯醫師強調,一旦檢查確認重度二尖瓣逆流就是最佳治療時機,以免導致心臟擴大、心臟功能惡化。原發型二尖瓣逆流大多可以接受瓣膜修補術,成功率高、存活率佳、耐用性好,請務必把握治療時機!

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    成藥和處方藥的的濫觴 神奇之藥的時代:製藥商業模式的新時代革命——《疼痛帝國》
    黑體文化_96
    ・2023/03/20 ・1688字 ・閱讀時間約 3 分鐘

    1949 年,一則不尋常的廣告開始出現在好幾份醫學期刊上。綠色背景上有 Terra bona 的棕色粗體字樣, 沒有人知道 Terra bona 究竟是什麼意思,也不知道這則廣告是否在行銷什麼特定產品。「偉大的土壤帶給人類的不只是糧食,」一行說明文字寫道,並指出在土壤中發現的新抗生素成功地延長了人類的生命。「在分離、篩選和生產這些重要藥劑等方面⋯⋯輝瑞(Pfizer)扮演了顯著的角色。」

    成品藥 戰爭帶來的鉅變

    近一個世紀以來,位於紐約布魯克林的輝瑞公司(Chas. Pfizer & Company)一直是一家化學品的中型供應商。在二戰之前,類似輝瑞這樣的公司,出售沒有商標的散裝化學品給其他公司或是藥劑師(由他們自己混合化學品)。


    因為 COVID-19 疫苗而稱霸全球的美國製藥公司「輝瑞(Pfizer)」,最早是一家化學品的中型供應商,出售沒有商標的散裝化學品給其他公司或是藥劑師。圖/envatoelements

    接著在 1940 年代初,青黴素(penicillin)的採用開啟了抗生素的新時代,這是一種可以阻止細菌感染的強效藥物。戰爭爆發時,美軍需要大量的青黴素給部隊使用,輝瑞等公司被招募來生產這種藥物。等到戰爭結束,這些化學公司的商業模式永遠改變了:

    現在他們不僅量產化學品,還量產成品藥(finished drug)(編按:也就是今日「成藥」的雛形),這些藥隨時可在市面上販售。

    青黴素是一種革命性的藥物,但它沒有專利,也就是說任何公司都能生產。因為沒有公司壟斷,它的價格維持低廉,因此也不是特別有利可圖。輝瑞從上一次經驗嚐到甜頭,於是開始尋找其他可以申請專利並以更高價格出售的藥方。

    神奇之藥時代 新療法與把關藥的誕生

    這是「神奇之藥」的時代:戰後是製藥業的繁盛時期,人們普遍樂觀地認為,科學創新的潛力可以設計出前所未聞的化學解決方案,遏制死亡和疾病,並為製藥商帶來數不清的利潤。

    薩克勒兄弟一直在克里德莫宣揚同樣的烏托邦式承諾:任何一種人類疾病,或許有朝一日都可用一顆藥丸治癒,這個想法開始在整個文化中占一席之地。到了 1950 年代,美國製藥業幾乎每週都會推出某款新藥。

    這類新療法被稱為「把關藥」(ethical drug)(編按:也就是今日「處方藥」的最早概念),這是個令人安心的名稱,為了表示這些藥不是那種可能在馬車後面販售的巫婆藥水,這些是僅銷售給醫生、並由醫生開處方的藥物。但由於新產品太多了,於是藥廠找上廣告商,以創意的方法讓病患和醫生知道他們的創新。

    處方藥(ethical drugs/prescription drug)是僅銷售給醫生、並由醫生開立處方後才能取得的藥物。圖/envatoelements

    輝瑞的總裁年輕有活力,名叫約翰.麥基恩(John McKeen),最近他們公司開發了一種名為土黴素(Terramycin)的新型抗生素,名字源自印第安納州的特勒荷特市(Terre Haute),據說輝瑞公司的科學家在那裡從一塊土壤分離出這種化學物質。麥基恩認為這種藥物若行銷得當,很可能大發利市,他想積極地向批發商和醫院推銷,於是找上紐約一家專門製作藥品廣告的小型廣告代理商,名叫威廉.道格拉斯.麥亞當斯(William Douglas McAdams),這家公司老闆兼輝瑞廣告負責人就是亞瑟.薩克勒。

    亞瑟.薩克勒(Arthur Mitchell Sackler),是輝瑞公司在戰後的靈魂人物之一。他透過推廣出版物給醫生,加快了醫生了解藥物、把藥品推向市場的速度。輝瑞在 1960 年代開始直接向醫生營銷,便是出自薩克勒的策略。薩克勒的手法使得許多藥品大受歡迎,而他的成功也讓許多其他藥品公司開始以類似的方式推銷他們的藥品。圖/wiki

    ——本文摘自《疼痛帝國:薩克勒家族製藥王朝秘史》,2023 年 3 月,黑體文化出版,未經同意請勿轉載。

    黑體文化_96
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    鑑識故事系列:德國免費電玩,邀玩家扮法醫
    胡中行_96
    ・2023/03/20 ・1664字 ・閱讀時間約 3 分鐘

    本系列以往藉由講解真實案件,來分享鑑識科學;這篇則摘要免費電玩的虛構情境,鼓勵讀者親自體驗辦案。2023 年 1 月的《國際法醫期刊》(International Journal of Legal Medicine),介紹了一款德國漢堡開放線上大學(Hamburg Open Online University)的遊戲,名叫「Adventure Legal Medicine」(非官方中譯:法醫歷險)。論文詳述開發過程與教學功能,還強調玩家不管有無醫學知識,皆能輕易上手。[1]

    =========微劇情,防雷線=========

    想避開遊戲情境簡介的讀者,請跳過圖片後的第一段,謝謝。

    電玩《Adventure Legal Medicine》的繪畫風格。圖/參考資料 1,Figure 1(CC BY 4.0)

    情境設定

    依照學習的領域,此遊戲有下列 5 個故事情境,可供選擇:

    1. 估計死亡時間(time of death estimation):有人死在公寓裡。玩家必須選取正確的驗屍工具,例如:直腸體溫計(rectal thermometer)或神經反射錘(reflex hammer),來推估死亡時間。[1, 2]
    2. 體外驗屍檢查(external post-mortem examination):河岸上死者的某些身體部位,藏有非自然死亡的線索。[1]像是顱骨和手肘擦傷等,都有待玩家一探究竟。[2]
    3. 鑑識人類學(forensic anthropology):森林裡,散落著人類骨骸。觀察並測量骨頭,以推估年紀、性別和身高。將結果拿去跟失蹤人口的檔案比對,玩家或許就能找出死者的身份。[1]
    4. DNA親子鑑定(DNA analysis/paternity test):不知從哪迸出 4 個人,想繼承情境 2 那名死者的巨額財產。[1]玩家得從唾液樣本,分析他們的 DNA,判斷誰才是真有血親關係的子嗣。[1, 2]
    5. 解剖、酒精與藥物(autopsy/alcohol and drug influence):玩家幫車禍死者體外驗屍;解剖以檢查器官;並進行毒物學分析。最後,判讀以上檢查所得的結果。[1]

    開發過程

    這個遊戲是鑑識病理學家、鑑識人類學家、心理學家、醫科學生、遊戲工程師和插畫藝術家,共同合作的結晶。類似於商業開發的線上遊戲,產品正式釋出之前,得先找人來封閉測試。2 名分別為 25 和 49 歲的男性;以及 21、25 與 54 歲的 3 名女性,率先嘗試情境 1 和 2 的前期測試版。研發團隊根據他們的感想與建議,改進遊戲,並設計情境 3。接著,請 40 名醫學系的學生,操作情境 1 至 3 的測試版。另外,其他不同教育程度的學生,作為一般大眾的樣本,也受邀試玩。最終統合大家的評論後,團隊設計出情境 4 和 5 的遊戲。[1]

    嚴肅遊戲

    德國研發團隊將產品定位成「嚴肅遊戲」(serious game),以教學而非娛樂為主要目的,而且在視覺上多採灰階,來保持中性。[1]筆者試玩了一小部份,又觀賞攻略影片,覺得繪圖和音效雖不華麗,但頗為用心。由於遊戲全程都有電子版的課本唾手可得,玩家本身無須具備專業知識。每個階段結束後,還能透過小測驗,了解學習成效。對相關科系而言,也可用於輔助教學或自學。從 2020 年 1 月在 Google Play 上架以來,有數千人下載,並獲得平均 4.5 星的評價;可惜不曉得線上網頁版的使用人次。[1]下面是此遊戲的基本資料、連結與攻略,歡迎讀者分享闖關心得。

    Adventure Legal Medicine

    • 名稱:Adventure Legal Medicine[1](英文別名:Forensic Medicine Adventure;德文名稱:Abenteuer Rechtsmedizin)[2]
    • 對象:醫學相關科系的學生及一般愛好者。[1]
    • 語言:英文和德文。[1]英文版的故事敘述,用字不難;但基於辦案的情境,勢必會出現骨骼、基因等,鑑識科學常見的專有名詞。
    • 行動裝置版:僅支援Android系統的平板電腦和手機;沒有 iOS 的版本。請點超連結下載,或上Google Play搜尋「Abenteuer Rechtsmedizin」。[1]
    • 線上網頁版http://elearning.uke.de/HOOU/RechtsmedizinSeriousGame/ (完全載入後,可以按下方代表德文的「DE」,將語言改為英文「EN」。)[1]
    電玩《Adventure Legal Medicine》英文版,前 4 個情境的攻略。影/參考資料 2

      

    參考資料

    1. Anders S, Steen A, Müller T, et al. (2023) ‘Adventure Legal Medicine: a free online serious game for supplementary use in undergraduate medical education’. International Journal of Legal Medicine, 137, 545–549.
    2. SLY MobileGaming (15 JAN 2021) ‘Forensic Medicine Adventure Abenteuer Rechtsmedizin | Point and Click Game Walkthrough’. YouTube.
    胡中行_96
    96 篇文章 ・ 33 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。