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未來材料:藉拉扯改變導電的碳原子線

昱夫
・2014/07/24 ・1373字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 589 ・九年級
1-carbynemorph
Credit: Vasilii Artyukhov/Rice University

碳炔(carbyne, 亦有譯作“卡拜”、“線型碳”),由單鏈的碳原子連接而成,為目前理論上已知最硬的材料。最近科學家透過理論計算預測,這種新穎材料除了硬,還具備特殊的導電性質,可以藉由拉扯從導體變成半導體甚至是絕緣體!

碳炔是由線型的碳原子排列而成,每個碳可以提供4個價電子來與周圍的原子形成共價鍵,欲形成直鏈的話,理論上在兩兩碳原子間的鍵數可以是2:2(碳原子間都是雙鍵)或者是1:3(以單鍵-參鍵-單鍵-參鍵⋯⋯交錯排列),當碳炔處在弛豫態(relaxed state, 在此意指不受任何其他外力限制或場影響的狀態)時,每組碳碳鍵幾乎是等長,且具備導體的性質。看到這裡,你可能會直覺地認為碳碳間應該都是以雙鍵連接,客官且慢,先別那麼快下結論!

根據派爾斯不穩定性理論(Peieris instability),一維的無限長分子串會傾向於變成一長一短的鍵結來降低總能。那為什麼還會說碳炔是等長的呢?原因在於分子並非處在ㄧ個靜止不動的穩定態,原子的相對位置會振動(在不同鍵長出現的機率可透過分子的位能面決定)而使鍵長變「模糊」。當碳碳鍵結構在1:3和3:1兩種低位能形式間變換(出現機率相同),若是兩者間的位能障礙不大,則碳碳鍵的振動波涵數(nuclei vibrational wavefunction)便可以腳踏兩條船,分佈在1:3和3:1中間的位置上,而不會集中在兩個最低位能點,導致我們觀測到等長的結果(見下圖左)。

ZPV
不同長度的碳炔位能面示意圖(橫軸代表相鄰兩組碳碳之間的鍵長差)。藍線表示一組碳原子的位能面,紅線表示在該位能面下具有最低能量的原子振動波函數。左圖:當沒有施予碳炔張力時,原子間距較小,1:3和3:1兩種鍵結情況的能障不高,振動波函數可以分佈在兩個最低位能點的中間;右圖:當施予碳炔張力時,原子間距拉大,1:3和3:1兩種鍵結情況的能障變高,振動波函數無法分佈在中間。

大致了解碳炔與它的結構後,再讓我們看看最新的研究。

萊斯大學(Rice University)的Boris I. Yakobson團隊透過理論模擬來研究碳炔[1],他們將碳炔拉長後計算其導電性質。結果顯示,當碳炔被拉長,其碳碳鍵會趨向於變得不等長(因為1:3和3:1鍵結結構間的位能障礙變高,使得碳碳原子振動無法簡單越過能障,不能腳踏兩條船,只能分佈在其中ㄧ種情形(見上圖右)),價電子帶到導電帶的能量間距(band gap)也會被拉大,令碳炔變得更不易導電。此外,在考慮其導電性時,碳炔兩端怎麼連接到電極也會對結果產生影響。

研究者之一的Artyukhov說道:「在這項研究前,大部份人都認為碳炔應該穩定處在一長一短的鍵結結構,維持絕緣體的狀態;而我們的理論考慮了原子振動帶來的不確定性,使得零點振動成為與派爾斯不穩定性競爭的變因,抵消了派爾斯不穩定性造成的鍵長不等距情形」。藉由調整施予碳炔的張力,我們可以控制這兩個因素的競爭,調整其導電性,讓它從導電相轉移到半導體相。

目前,碳炔在合成上仍存在許多技術問題,使得對碳炔的研究大都停留在理論階段,應用層面也還無法有效發展。未來有ㄧ天,若是碳炔可以成功量產化,其堅硬的性質和特殊的導電變化,將有巨大潛力應用到電子或是其他產業上!

 

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Nano Letterspubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5017317

資料來源:Carbyne morphs when stretched: Calculations show carbon-atom chain would go metal to semiconductor [PHYS.ORG, July 21, 2014]

文章難易度
昱夫
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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。


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讓愛滋與你和平共存,一起掌握 U=U 共識!

careonline_96
・2021/10/28 ・2457字 ・閱讀時間約 5 分鐘
讓愛滋與你和平共存,一起掌握U=U共識!感染科醫師圖解說明

確診感染愛滋病毒,對三十多歲的陳小姐一開始相當衝擊,但是經過抗病毒藥物的穩定治療後,血液中的病毒量大幅降低,已連續數月都控制於驗不到病毒的狀態。

某日回診時,陳小姐問:「醫師,我還有機會懷孕、生小孩嗎?」

「可以喔!」醫師點點頭,肯定地說:「只要能好好治療,繼續將愛滋病毒量維持檢驗不到狀況,便沒有傳染風險,也可以懷孕、生產!」

許多愛滋感染者在確診後,會變得沮喪、自我懷疑,認為自己不能再與他人建立親密關係並承受外界異樣眼光。

台北市立聯合醫院仁愛院區內科部感染科主治醫師顧文瑋醫師指出,其實感染者若能穩定接受服藥治療,便可有效控制且降低血液中的病毒量,轉變如慢性病一般,同樣可以孕育下一代。

穩定治療、定期追蹤、掌握 U = U,愛滋慢性化,醫病勇敢溝通很重要!

愛滋病是由愛滋病毒(Human Immunodeficiency Virus,簡稱HIV)感染,導致病患身體免疫力降低,出現各種疾病症狀,又稱後天免疫缺乏症候群(AIDS)。

從 1980 年代開始,愛滋病與愛滋感染受到全球關注,過去種種迷思導致感染者遭受歧視困境,現今治療進步,愛滋感染已慢性化!

顧文瑋醫師解釋,愛滋病毒主要透過血液、體液傳染,但是傳染力與病毒含量多寡十分有關!「新冠疫情讓大家對病毒量的概念較為清晰!如同感染者的口水、汗水、尿液、糞便等皆不具傳染力。日常中與感染者一起上課、說話、游泳、共餐、洗衣服,都不會遭到傳染。」

此外,目前抗病毒藥物已可有效降低並控制愛滋病毒量。顧文瑋醫師說,根據研究證實,當愛滋感染者接受穩定服藥治療,讓病毒量低到偵測不到時,便不會把愛滋病毒傳給性伴侶,這就是國際重要共識「U = U」。

掌握國際U = U

何謂 U=U?檢測不到愛滋病毒,便不具傳染力

「U = U」中的第一個 U 是 Undetectable,即「檢測不到病毒」;第二個 U 是 Untransmittable,即「不具傳染力」。

顧文瑋醫師說明,愛滋感染者在穩定接受抗病毒治療後,若持續穩定追蹤血液中病毒量,控制於測不到(低於 200 copies/ml)達六個月以上,其傳播病毒的風險是可忽略的。

「後來陳小姐回診時,穩定交往的男朋友也會陪同,主動了解用藥狀況,以及未來懷孕、生產該注意的事項。」顧文瑋醫師分享,「妥善穩定治療,讓愛滋病毒低到測不到,便沒有傳染風險,是非常重要的觀念!」

台灣愛滋防治成績卓越

感染者與醫師攜手向前,掌握 U=U! 台灣愛滋防治成績更卓越!

防治愛滋在世界各國皆是重要的任務,聯合國愛滋病規劃署(UNAIDS)就曾提出 3 個「90-90-90」的目標,希冀 2030 終結愛滋感染,期待朝向完善、全人的愛滋照護前進。

台灣經過多方努力,已達成「90-92-95」的成績,可謂領先亞洲其他國家;表示 90% 愛滋感染者已知自己的感染狀況;92% 已知感染狀況者已穩定接受服藥治療;95% 穩定治療者能有效控制病毒量,達到 U=U!

「我們希望宣導 U = U 的概念,讓愛滋感染者理解抗病毒治療的重要性,只要穩定接受藥物治療,即可將愛滋感染轉成一慢性病,對於感染者來說,也不會持續承受巨大壓力。」顧文瑋醫師強調,「面對愛滋感染是一輩子的事情,如同一般慢性病控制!感染者若有任何治療或身體健康疑問,都可以主動提出與醫療團隊討論,醫師才能根據生活、工作的需求,適時調整藥物。」

主動積極防治愛,讓愛無礙不困難!

主動積極防治愛,讓愛無礙不困難!

除了感染者自身積極治療外,民眾應更加全面理解、認識愛滋感染,並放下過去的焦慮與歧見。目前也越來越多臨床醫師願意主動了解愛滋治療、U=U 國際共識,並加入以人為本的病患照護。醫師們更在意如何為病患提供適合的治療與幫助,看重疾病治療本身而非存有歧視眼光,不論是民眾、醫護、政府與感染者,我們都希望一同營造更友善、平等的環境!

顧文瑋醫師叮嚀,感染愛滋僅有高風險行為,並沒有特定族群之分!民眾應維持單一固定性伴侶,性行為時務必全程正確使用保險套,可同時預防其他性傳染病感染。疾病管制署目前也有提供免費匿名愛滋篩檢,只要有性行為的民眾,建議至少進行一次篩檢;若有無套性行為者,建議每年至少進行一次篩檢;若為高風險感染者,建議每 3 至 6 個月篩檢一次。一旦感染需及早就醫治療,並檢驗愛滋病毒,切勿共用注射針頭、針筒、稀釋液。懷孕婦女需接受愛滋病毒檢查,若確診,便要儘快接受治療、穩定控制病毒量,讓愛無礙不困難。民眾對愛滋感染與愛滋病有任何疑問,務必諮詢專業醫療人員!


更多愛滋衛教資訊,請參考以下協會:

台灣露德協會

台灣基地協會

愛滋感染者權益促進會

台灣愛之希望協會

台灣紅絲帶基金會

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