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第六種元素:鈦 —《改變世界的七種元素》

PanSci_96
・2014/07/09 ・4097字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

1950 年 10 月,《大眾科學》雜誌特別介紹了「在擔當飛機、火箭和盔甲的結構材料上,挑戰鋁和鐵」的「新競爭者」。強韌、質輕又抗腐蝕,鈦扮演未來的神奇金屬。

英國牧師,同時也是礦冶專家兼化學家葛瑞格(William Gregor)於 1791 年在康瓦耳的馬納坎(Manaccan)村一條河中分離出一些「黑沙」時,發現了鈦。今天我們知道那是鈦鐵礦,主要成分是鐵鈦氧化物,他從這種礦物中提煉出混合物,其中含有一種新元素的氧化物,他把它命名為馬納坎礦。四年後,德國化學家克列普洛(Martin Klaproth)由鈦的另一種重要礦物,金紅石中分離出二氧化鈦。他把新元素取名為鈦(titanium),這個名字來自希臘神話中的泰坦(Titan)巨神族,這些神遭父親優拉納斯(Uranus)囚禁在地球內部。克列普洛也發現了鈾(uranium);在那個時代,這兩種元素的性質都未完全瞭解,所以他選用了抽象的名字。然而,純屬巧合,最後證實克列普洛的命名相當恰當:和泰坦族受困在地球內部的情況一樣,鈦在礦物中的鍵結很強,非常難提煉。

直到 1910 年,冶金專家杭特(Matthew Albert Hunter)在紐約州的壬色列理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute )進行研究時,才製出純的金屬鈦樣本。進行這項研究時,他發現了鈦的特殊物理性質。而自從首次發現鈾以來,經過了一百五十年,直到1940 年代,才發明出把鈦由礦物中提煉出來的商業製法。當冷戰初期緊張局勢逐漸升高,美俄雙方都渴望能建立先進的科技,使自己在海面、空中及外太空都占有優勢。鈦看起來似乎就是能達到這個目標的神奇新金屬。第一次及第二次世界大戰是用鐵和碳作戰;冷戰將是用鈦和鈾作戰。

鈦使冷戰時期的工程發揮到極致,例如洛克希德公司的超音速間諜機黑鳥。黑鳥的飛行速率是音速的三倍,超越任何蘇聯的先進飛彈科技,可以在數小時之內,把重要的軍事情報帶回美國本土。黑鳥是工程界令人讚歎的傑作,而且至今仍是世界上最快的吸氣式載人噴射機。

黑鳥的重量結構中,鈦佔了百分之九十 [Public domain]

超音速黑鳥

「我們將飛在(2 萬 7 千公尺的)高空上,並把速率提高到 3馬赫⋯⋯我們飛得愈高愈快,別人要追蹤我們的位置就愈困難,更不用說想阻止我們了。」洛克希德航太公司研發中心副總裁詹森(Kelly Johnson)對一群工程師解釋道。

1950 年代在冷戰的高峰期,美國渴望知道蘇聯的軍事實力。衛星技術有嚴重的限制:軌道固定,太容易預測,路徑不可能不被發現,何況由外太空拍攝到的畫面通常都很模糊。

詹森相信他的間諜機是能蒐集足夠軍事情報,還能確保機上飛行員安全的唯一方法。冷戰時期第一批間諜機是由第二次世界大戰的轟炸機改裝而成的,這些飛機速率緩慢,又在低空飛行,很容易受到蘇聯的攻擊。1950 年代末期,洛克希德最先進的間諜機 U-2,可以在 21 公里的高度飛行,速率最快可達時速 8 百公里,但是蘇聯砸下重金,研發可以攻擊 U-2 的先進反間諜機武器。美國顧慮到 U-2 易遭蘇聯反間諜機科技的攻擊,所以想發展一種可以飛得更高、更快的新型間諜機。事實上也確實如此,1960 年正當洛克希德開始研發黑鳥時,一架 U-2 被擊落,飛行員鮑爾斯(Gary Powers)遭 KGB 逮捕。

黑鳥的飛行速率是 U-2 的四倍,飛行高度高了 6 公里,實現了美國的雄心壯志。設計這架飛機時的野心可不小:美國空軍希望打造一架飛機,不必再躲避蘇聯的飛彈,而是快到讓任何飛彈都無法鎖定。以前就有飛機飛過 3 馬赫以上的速率,但那是利用後燃器造成的短程爆發。黑鳥將以這種速率做正常飛行,全程都要使用後燃器。但是要成功打造如此複雜的工程傑作,洛克希德的工程師必須先學會如何駕馭鈦。

1959 年,詹森的 3 馬赫飛機研究工作開始在洛克希德的設計工程單位「臭鼬工廠」進行,「臭鼬工廠」的暱稱,是因為附近有一家塑膠工廠會發出難以忍受的惡臭而來。工程師很快就體認到,鋼實在太重了;而鈦是質輕金屬中,唯一能承受 3 馬赫飛行造成的高溫的。

27 公里的高空,空氣接近真空,非常稀薄。溫度是會凍死人的攝氏零下 55 度。即使如此,因為黑鳥飛得比步槍子彈還快,機鼻會因與空氣摩擦而使溫度上升到攝氏 400 度以上。靠近後燃器的地方溫度更超過 560 度。要不是漆成黑色,溫度還會更高,也因為漆成黑色,因而有了黑鳥之名。溫度變化這麼大,造成飛機在飛行時會膨脹數英寸。機身與燃料箱只有在高速飛行時才能緊密結合,一旦降落,燃油就會由縫隙漏出,滴在跑道上。

黑鳥的結構重量中,鈦超過百分之九十。這個計畫啟動之時,沒有人曾經這樣大規模,或在如此極端的條件下使用過鈦。只有美國境內的小公司「鈦金屬公司」處理過鈦,而且這家公司製造的鈦,品質不太穩定。不但如此,他們還找不到足夠的鈦來打造飛機。中情局找遍全球,最後由蘇聯的一家出口商那裡取得貨源,對方並不知道他們正協助打造要用來對付蘇聯的間諜機。

在設計、測試與打造黑鳥間諜機期間,共製造了 1 千 3 百萬個鈦零件。工程師在過程中遭遇許多困難。一點點雜質就會讓鈦變脆,一開始時,某些零件由腰部的高度掉下來,就會砸得粉碎。用鋼筆畫的線會很快把鈦薄片侵蝕出一條縫;鍍鎘的板手會造成螺栓脫落;最奇怪的是,夏天製造的點焊板會碎裂,但冬天製造的不會。後來終於找出汙染源是氯,原來臭鼬工廠在夏天為了防止產生藻類,在水塔裡添加了氯。

這些問題後來都找到了解決方案,但費用很高。工程師必須在極度潔淨的環境裡工作,每一個零件都要泡在酸中,然後在氮氣中焊接。這架飛機的造價快速增加到幾億美元。

但是它還是建造完成了,而且在 1964 年 12 月 22 日舉行處女航,為了娛樂詹森,它以超音速飛行低空掠過空軍基地的跑道。洛克希德成功造出人類歷史上最不可思議的飛機。至今這仍然是最佳典範,顯示人類智慧與地球元素的特殊性質相結合時,會產生什麼火花。

黑鳥不只是工程奇蹟,也是功能強大的戰爭工具。越戰期間它首次執行任務時,很快就展現了價值。位於南越溪生的美軍基地遭北越軍隊包圍,但是美軍找不到敵人補給兵員與彈藥的卡車停車場。1968 年 3 月 21 日,黑鳥執行偵察任務時,飛過南北越之間的非軍事區。它拍回的照片不只揭露了可疑的卡車停車場,還有包圍溪生的重型火砲布置圖。幾天後,美軍對這些目標發動了空中攻擊,而且在兩個星期之內就解除了包圍。

黑鳥在越南證明了它的價值之後,在 1973 年 10 月又再次派上用場,當時埃及軍隊渡過蘇伊士運河,發動贖罪日戰爭。阿拉伯聯軍的閃電攻擊令以色列猝不及防,而美國在這場衝突中支持以色列,擔心如果情報不足,以色列可能會失去更多領土。蘇聯則支持阿拉伯聯軍,已經調動宇宙衛星提供以色列軍隊的位置給阿拉伯聯軍;尼克森總統下令黑鳥也對以色列提供類似的支援。

黑鳥自紐約飛到阿拉伯與以色列邊界,距離有 9 千公里,它破紀錄在 5 小時內抵達,且在禁區上空飛行 25 分鐘就足夠它拍照了。第二天早上,顯示阿拉伯軍隊位置的照片已經放在以色列參謀總長的桌上。

有了鈦,美國在冷戰時期掌控了整個天空。在太空中,美國也一樣占盡優勢,阿波羅及水星太空計畫中都廣泛使用鈦。但是在鐵幕的另一邊,蘇聯也利用神奇的鈦金屬稱霸海洋,他們建造了一種新型的潛水艇,體積較小、速率較快,而且可以潛到較深的海底。

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1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造。[Public domain]

打造蘇聯潛艇

「這一定是先進設計:新的材料、新型的發電機,還有新的武器系統 —這一定是最高級的。」斯維亞托夫(Georgi Sviatov)在擔任 K-162 潛艇的蘇聯海軍初級工程師時這麼說。當時蘇聯想製造一艘潛艇,要能快速通過危險水域去攻擊敵人,而且中途不會被偵測到。

工程師想使用鋼和鋁,但是鈦的優點很明顯。在打造潛艇船身時,金屬的強度對重量比值是首要考量,船身一定要輕,潛艇才能自然浮出水面,但是同時也要能承受極大的水壓。鈦的優異比值能使蘇聯潛艇下沉到創紀錄的深度。不但如此,鈦又能抗腐蝕,它的表面會形成二氧化鈦薄層,在嚴苛的海洋環境中保護船身。而且,鈦和鐵不同,鈦不是磁性物質,潛艇較不會被偵測到,也不會引爆磁性水雷。

美國完成鈦製黑鳥時,蘇聯正在為高科技船身努力。第一艘鈦船身潛艇 K-162 太貴了,大多數人都認為,就算用黃金打造也不用這麼貴;於是,這艘潛艇就被戲稱為「金魚」。

1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造,可在 1 公里的深度運作。1989 年 4 月,共青團員號沉沒於挪威海,起因是有一條高壓空氣管線起火燃燒,引發大火。火焰快速經由富含氧氣的空氣蔓延開來。因為火燒、水淹,加上窒息,60 名水兵中有 42 名死亡。破裂的鈦製船身、兩座反應爐,以及至少兩枚核彈頭,至今仍沉在海面下 1.6 公里處,封在混凝土製成的石棺內,以防止裡面有毒的鈽外漏。

美國軍事情報團在 1960 年代末開始蒐集蘇聯鈦船身潛艇的證據。衛星照片拍到,在列寧格勒(聖彼得堡)蘇多梅海軍上將造船廠(Sudomekh Admiralty Shipyard)中有一種特殊金屬,這金屬對光的反射性太好,不可能是鋼,而且它也不腐蝕。在 1969 年冬天,美國海軍助理武官葛林(William Green)中校在訪問列寧格勒時,撿到一片碎片,這是由駛離蘇多梅船廠的卡車上掉下來的。結果發現那是鈦。這件事到了 1970 年代中期才獲得證實,當時情報團的軍官在檢查蘇聯送往美國的廢五金中,發現有一片鈦上面刻了 705 的數字。情報團已知這是一直在注意的蘇聯潛艇計畫的序號。長期以來,美國都不相信蒐集到的情報。要打造船身像蘇聯潛艇這麼龐大的尺寸,鈦看起來實在太貴,也太困難了。

冷戰結束後,具有極度深潛能力的鈦船身潛艇,以及 3 馬赫的鈦機身飛機,都不需要了。在 1990 年代初,隨蘇聯瓦解,鐵幕兩邊都可以刪減軍事費用了;美國總統老布希及英國首相柴契爾夫人稱之為「和平紅利」。最後一艘 705 型潛艦已退役,而黑鳥的經費也已經刪除,整個研發過程結束,黑鳥成為史上唯一未遭敵人砲火擊落,也未損失任何乘員的軍機。

本文摘自《改變世界的七種元素》,由天下文化出版

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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新好材料鈣鈦礦,改造太陽能電池
科技大觀園_96
・2021/06/17 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

隨著現代科技的發展,人類對能源的需求也逐漸增加,因此科學家一直努力尋找著合適的替代能源。其中最受矚目的能源之一,莫過於取之不盡、用之不竭的太陽能,因此科學家也一直想研發出理想的太陽能電池,能夠把太陽的能量盡可能的轉化為電能,並且長時間儲存起來。

一直以來,太陽能電池的材料都以最常使用的半導體材料——矽晶為主,然而自 2009 年開始,一種特殊的有機金屬鹵化物材料「鈣鈦礦」引起了科學家的注意。「鈣鈦礦」原本是指鈣與鈦的氧化物 CaTiO3(結構可表示為 ABX3),因為有機金屬鹵化物的結構與鈣鈦礦 ABX3 同類型,所以統稱為鈣鈦礦(見圖 1)。太陽能電池用的鈣鈦礦,吸收光的效率很高,吸收光子後,可以很快地分離成電子與電洞,傳送到電極而產生電流。這樣的高效率讓科學家想到,何不用鈣鈦礦來製作太陽能電池呢?

圖 1、鈣鈦礦晶體結構示意圖。用做太陽能電池的鈣鈦礦通常為有機金屬鹵化物。(圖/林唯芳、王彥錡)

臺灣大學材料科學與工程學系教授林唯芳的研究領域一直以高分子材料為主,也研究過以有機材料來製作太陽能電池。鈣鈦礦的出現,很快就吸引了林唯芳的眼球。「鈣鈦礦這種材料簡直不得了。」談起鈣鈦礦,林唯芳透露著興奮的心情,因為和傳統的矽晶相比,以鈣鈦礦製作太陽能電池的製程簡單太多了!

製作太陽能電池,竟和刷油漆一樣簡單

首先,以矽晶做為材料時,為了減低晶格裡的缺陷數量,必須經過約 900℃ 的高溫長時間處理,然後再以半導體高真空高溫製程製作成二極體太陽能電池,工序繁瑣嚴苛。但鈣鈦礦太陽能電池是以溶液塗佈薄膜的形式來製作,所以不需這麼高溫,也不需要真空環境,只要在一般環境裡就可以製作。 

鈣鈦礦太陽能電池的結構如圖 2,在製造時,每一層都只需要簡單的塗佈,再以紅外線快速烘乾長晶[註1]即可,烘乾需要的時間甚至不到一分鐘。林唯芳形容:「整個過程就像刷油漆一樣簡單。」而因為鈣鈦礦太陽能電池的製作就像刷油漆一樣,因此比起矽晶,鈣鈦礦更容易做出大面積的太陽能電池,甚至是塗佈在各種基材上,做出可撓曲、各種色彩的太陽能電池,應用更加廣泛。

圖2、鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖。(圖/林唯芳、王彥錡)

不過林唯芳也說,目前鈣鈦礦和矽晶相比,使用壽命短了許多,矽晶太陽能電池一般認為具有 30 年左右的壽命,但鈣鈦礦的結構大約只能維持 10 年。這是因為鈣鈦礦的晶體結構中,ABX3 各成分之間只是單純的彼此堆疊及配位鍵[註2] ,並非以共價鍵結合,鍵結不夠強的情況下,容易受到破壞。林唯芳的團隊也嘗試著用加入不同離子的方式,增加鈣鈦礦的穩定度,延長使用壽命。

鈣鈦礦與矽晶的合作無間

林唯芳強調:「我們對太陽能電池的期許,除了大面積、長壽命外,更重要的是高轉換效率。」這幾年來,在林唯芳團隊及全世界科學家的努力下,鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經追上矽晶太陽能電池,約在 20-25% 左右。不過,鈣鈦礦和矽晶並不是對立的角色,包括林唯芳在內的許多科學家,都正在嘗試讓這兩種材料「合作」——他們將鈣鈦礦與矽晶疊起來,達到更高的光電轉換效率!

鈣鈦礦與矽晶的比較表。(圖/何庭劭繪)

這是因為鈣鈦礦能吸收轉換的光波段和矽晶不同,鈣鈦礦主要吸收較高能量的短波波段,矽晶則以較低能量的長波波段為主,所以若讓太陽光先後穿透鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池,就能更有效率的利用太陽光裡各種不同波段的光。

在疊層的做法上,有些研究團隊是在製作太陽能電池時,改變製程,設法將矽晶與鈣鈦礦疊層。不過林唯芳和聯合再生能源公司合作,將兩種太陽能電池獨立製作,只是將鈣鈦礦太陽能電池的電極轉換成可透光的材料,然後直接機械式的疊起。林唯芳解釋:「這樣做的好處在於可以維持現有的矽晶太陽能電池的製程,再加上簡單的鈣鈦礦太陽能電池製程,在現階段的技術上是最有商機的。而且現在鈣鈦礦太陽能電池還是比較容易損壞,如果它先損壞了,我們可以只要替換新的鈣鈦礦太陽能電池上去就好。」

圖 3、鈣鈦礦太陽能電池與矽晶太陽能電池疊層,可以增加光電轉換效率。(圖/林唯芳、吳庭慈)

談起這幾年鈣鈦礦的興起,林唯芳認為這是非常有希望的一種材料!在這幾年的積極努力下,林唯芳不但在鈣鈦礦太陽能電池的研究上有進展,還為技術的產業化努力,鼓勵畢業同學廖學中與許哲溥,創立前創科技公司,專精於鈣鈦礦太陽能電池材料的製造和生產,並和臺大機械系的黃秉鈞教授、億尚精密機械公司合作,共同研發了專門塗佈製作鈣鈦礦太陽能電池的機器(如圖 4)。另外也和生產矽晶太陽能電池的聯合再生公司合作,發展大面積高效率層疊太陽能電池,形成了上中下游完全自主整合的一條鞭生產鏈。

林唯芳說:「這對我們臺灣的產業界也帶來了貢獻,雖然我是做學術研究的,但能幫助到臺灣的產業,我也覺得很開心。」而鈣鈦礦這個「大自然的禮物」,將為太陽能以及人類生活帶來的改變,也值得我們期待。

圖 4、鈣鈦礦太陽能電池薄膜製造機。(圖/黃秉鈞)

備註

  1. 製作有結晶的鈣鈦礦薄膜。
  2. 配位鍵的鍵結能量比共價鍵低。 

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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找回走路的「鈦」度!3D 列印技術重建貓咪四肢
言蓁
・2020/03/13 ・886字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

2018 年 12 月,有名司機在西伯利亞新庫茲涅茨克的雪地中,找到了一隻大約四歲的俄羅斯貓貓 Dymka(俄語為「霧」),並將牠帶至新西伯利亞的診所。雖然牠因凍傷而失去了所有的爪子,但獸醫們 3D 列印材質的義肢代替牠失去的四條腿,所以現在 Dymka 可以重新生龍活虎地追趕跑跳蹦,甚至爬樓梯了!(灑花)

Dymka 用牠的新腳站著。圖/© Kirill Kukhmar/TASS/Getty

義肢獨秀——3D 列印技術重建貓掌

根據《莫斯科時報》報導, Dymka 獲救時爪子、耳朵和尾巴都已經凍傷了,獸醫 Sergei Gorshkov 不得不幫牠截肢。Gorshkov 說,在西伯利亞嚴酷的冬季裡,每間診所的獸醫至少會治療五至七隻爪子、耳朵和鼻子等部位被凍傷的貓,倘若凍傷情形嚴重,皮膚組織會死亡並需要截肢。

Gorshkov 和診所同事與俄羅斯托木斯克理工大學 (TPU) 的研究人員合作,為 Dymka 製造了一套義肢。 TPU 的代表表示,科學家開發了磷酸鈣製成的塗層,使鈦製義肢可以更順利地安裝並嵌入、融合進動物的腿骨中,同時讓感染和排斥的風險降到最低。

冬季的西伯利亞。圖/Pinterest

走出態度!恍若新生的鈦製義肢

研究人員對 Dymka 的腿進行電腦斷層掃描 (CT) 建模,並依此 3D 列印出鈦棒。根據《新西伯利亞新聞》報導 ,Dymka 於 2019 年 7 月植入了義肢,前腳為先,後腿次之。2019 年 12 月,獸醫診所在 YouTube 上傳了影片,內容記錄牠安裝義肢七個月後的生活,還有特寫鏡頭拍到了一些關於義肢的細節,可以從畫面中看出來,牠的「 腳掌」以柔軟的黑色材料製成,底部帶有紋理。

不過,Dymka 可不是世界上唯一一隻四腳都是金屬義肢的「鋼鐵貓貓」,第一隻接受類似手術的貓出現在 2016 年,當時,新西伯利亞有診所替一隻名為 Ryzhik(俄語為「紅」)的貓進行了凍傷截肢的手術,並在牠身上植入了鈦製物體。未來,是不是會有更多貓咪受益於鈦製義肢呢?讓我們繼續看下去。

資料來源:

言蓁
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喜歡貓但不敢紮實去摸,像對所有喜愛的事物,嚮往也懼怕。依賴文字,生存於不被看好的文組,走著忽焉變成資訊的雜食動物。