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人造光收成方法達到 100% 的能量轉移效率

only-perception
・2011/09/05 ・1377字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

 在一次仿效可在植物與某些細菌中發現的光合作用系統的嘗試裡,科學家在開發人造光收成系統(light-harvesting system,LHS)上,已向前跨出一步,該系統符合一項關鍵需求︰近乎 100% 的能量轉移效率(energy transfer efficiency)。在一套有用的人造 LHS 的開發上,雖然高能量轉移效率只是元件之一,不過,這項成就能導致乾淨的太陽燃料(solar-fuel)技術,那將日光轉換成化學燃料。

這些研究者,由來自東京都立大學(Tokyo Metropolitan University)的高木慎介(Shinsuke Takagi)以及科學技術振興機構(Japan Science and Technology Agency,JST)的 PRESTO 計畫領導,已將他們邁向人造 LHS 的研究發表在最近一期的 Journal of the American Chemical Society 期刊上。

“為了要實驗一套人造光收成系統,近乎 100% 的能量轉移效率是必要的,” 高木表示。”因為光收成系統由許多能量轉移步驟組成,如果每一步驟的能量轉移效率為 90%,那麼,總能量轉移效率就會變低。例如,如果這有五個能量轉移步驟,那麼總能量轉移為︰0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.59。那麼,在為人造光收成系統實現高效能日光收集上,一套高效能能量轉移反應扮演著一個重要的角色。”

如同研究者在其研究中的解釋,天然的 LHS(如那些在紫色細菌或植物葉子中的系統)是由分子的規律排列所組成,那有效地收集日光並將激發能( excitation energy)攜往該系統的反應中心。一套人造 LHS(或稱「人造葉子」)試圖藉由利用功能性染料分子(functional dye molecules),辦到相同的事。

建立在先前研究的結果之上,科學家們為此目的,選擇使用二種紫質( porphyrin)染料分子,將其排列在陶磁表面上。這些分子易於在陶磁表面上聚集(aggregate)或分散(segregate),這對於要將這些分子以規律方式,如其天然的相似物那樣排列的科學家來說,構成了挑戰。

“分子以一適當的分子間(intermolecular)距離排列,對於達成近乎 100% 的能量轉移效率而言很重要,” 高木表示。”如果分子間距離太近,將會發生其他反應,諸如電子轉移和/或光化學反應。如果分子間距離太遠,激發染料的活性消失,會抑制能量轉移系統。”

為了要達到適當的分子間距離,科學家們開發出一套新穎的製備技術,那能匹配(matching)紫質分子中帶電位置(charged sites)之間的距離,以及陶磁表面上帶負電(陰離子)位置之間的距離。此效應,研究者們稱之為「尺寸匹配法則(Size-Matching Rule)」,協助抑制促成紫質分子易於聚集或分散的主因,並使分子固定在一適當的單一(uniform)分子間距離。如高木的解釋,這種策略顯然不同於其他達成分子圖樣(molecular patterns)的嘗試。

“這種方法學很獨特,” 他說。”在一般自我組裝系統的例子中,排列是透過客體–客體交互作用(guest-guest interactions)來體現。在我們的系統中,主體–客體交互作用(host-guest interactions)在實現染料的特殊排列上,扮演著一個關鍵性的角色。因此,藉由改變主體材料,要控制染料在陶磁表面上的分子排列是有可能的。”

如研究者的示範,分子的規律排列導致激發能轉移效率接近 100%。這些結果指出,紫質染料分子與陶瓷主體材料對於人造 LHS 而言,看起來是大有可為的候選者。

“目前,我們的系統只包含二種染料,” 高木表示。”下一步,結合數種染料以吸收所有的日光是必要的。我們系統的特徵點之一是,可輕易地同時使用數種染料。因此,我們的系統對一套真正的、能運用所有日光的光收成系統來說,是一個有前途的候選者。我們相信,即使是光化學反應部份,都能被結合到相同的陶瓷表面。如果這套系統被實現了,而且與光化學反應中心結合,那麼這套系統就能被稱為「無機葉子(inorganic leaf)」。”

資料來源:physorg: Artificial light-harvesting method achieves 100% energy transfer efficiency [September 1, 2011 ]

原刊載於 only-perception

 

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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