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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

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 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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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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什麼!樹木也能分陰、陽?這到底是風水還是植物學啊?——《聆聽樹木的聲音》
麥田出版_96
・2022/08/30 ・2618字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/詹鳳春

樹的光飽和點:陽樹比陰樹更需要陽光

樹木主要可分為陰樹、陽樹及中性樹。所謂陽樹,即偏好日照,當日照不充足便容易枯損衰弱。反之,即使日照不充足也可以健全生長,稱為陰樹。還有介在陰樹與陽樹之間,稱為中性樹。

植物的葉子進行生命維持活動。對植物而言,光為生存的能量,如同動物攝取食物般的重要。換句話說,能否取得充分的日照為樹木的死活問題。

葉子為了收集光照,在葉的構造內也下了不少的功夫。常見葉大且薄,在葉的背後及內側可有效的收集光照。葉表面附著了一層薄膜的角質層,除了讓水分難以透過以外,還可防止葉表蒸發,保護葉內組織。

櫻花樹是陽樹,日照需求高。圖/Wikipedia

自葉的生理角度來看,陰樹與陽樹的最大差異,在於光飽和點光合作用速度不同。一般光照量的最高限度,稱為光飽和點。因此日照需求度高的樹木為陽樹,能耐日蔭為陰樹。

陰陽特質的掌握,有助於適地適木的配植。例如櫻花樹(陽樹)的光飽和點高,受到強光而不斷增加光合作用量,當光照變弱時光合作用量也隨之降低,長期下來影響櫻花樹的生長。

樹木陰陽的差異並沒有明確基準,如一天必須要達到多少小時才能存活?這是隨著原生地的環境,以及培育經驗法則所分類。樹木的成長,是隨著光照強度性質而改變。

例如,幼木時可以在林蔭弱光環境下生長,長大為成木對光的需求也慢慢增大。相對的,需要強光生長為陽樹,周邊若有高大喬木環境時生長受阻,而陰樹即使周邊有大樹也可生長。

一般陽樹多為落葉樹種,因生長快速,樹幹易粗大且短命趨勢。相對的陰樹多為常綠樹種,生長慢,壽命也較長。

除了樹種外,葉子也可分為陰葉、陽葉

此外葉子也可區分陰葉及陽葉;陽葉受到強光,光合作用量增加,陰葉則是利用較弱的光照度進行光合作用。

對樹木而言,最適切的光照度為晴朗的上午,午後的西曬通常帶給部分樹種生長阻礙。路邊常見的紫薇,當夏季午後受到強烈西曬、高溫過熱,反而光合作用量頓時減少。過於高溫時,葉內含水量隨之減少,葉內的氣孔關閉後便無法呼吸交換而影響光合作用。

都市行道樹的日照條件也決定樹木生死,受到各方高樓環抱而遮蔽日照,光合作用也會受到影響。尤其當陽樹日照不充分時生長容易出現阻礙,即使為耐陰的山茶花、冬青也會出現樹勢低下及開花不良、病蟲害等問題。

路邊常見的紫薇,若受到強烈日照,反而會減少光合作用量。圖/Wikipedia

一片葉子的生命有多長?

針葉樹與闊葉樹的葉型,表現出樹木存活的戰略。

常見的針葉樹種柳杉、松樹等為常綠樹種,葉子細長、如針狀。這是為了取得更多的日照得以行光合作用,並不斷的往上生長。藉由向上生長與其他植物相互競爭,取得日照。

雖然稱為常綠樹,但也並非不落葉。尤其光合作用效率變低後,老葉陸續落葉並與新葉進行交替更新。樹木為了維持葉子也需要充分的養分,除了蓄積於枝條、樹幹以外,也儲藏於針葉樹葉內。

一般常綠樹的葉子壽命平均一到兩年,松樹的葉子甚至二到十年的也有。常綠樹的壽命,取決於環境。即使相同種,也會因日照、降雨量、土壤環境的不同而出現差異。

當環境要素越是不良時,葉子的壽命也就越長。簡單說,光合作用效率變低,養分的回收期間也就更長,而葉子的壽命也變長。一般熱帶地區的常綠樹,多數葉子的壽命為三個月。

即使先天抽了一張好牌,沒有好的成長環境也是枉然

樹木的生長條件之中,氣溫扮演著非常重要的角色。例如:將暖地生長的樹木種植於寒冷地,易受寒害,葉子變黑、枯死。相反的,習慣寒冷地的樹木若種植於暖地時,就容易出現新芽生長停頓等現象。

諸如此類的現象,可以說是樹木各自的生理特徵。

梨子在冬季容易受到寒害,造成葉子變黑、枝幹枯死。圖/台中市政府

樹木以根系吸收養水分,枝葉進行光合作用並製造能量。暖地或喜日照的樹木,光合作用能力非常旺盛,所製造的糖直接被樹體吸收使用,而水及空氣自葉的氣孔排出為蒸散。

就另一個角度來看;當氣溫升高時,蒸散旺盛而葉溫也隨之下降。而蒸散旺盛也會讓樹木失去大量水分,甚至引起脫水狀態。

因此,樹木為了維持本身機能平衡,配合氣候進行生理活動。例如:熱帶雨林的樹木行光合作用時,根系需要吸收大量水分;而沙漠的植物幾乎處於冬眠,受到強烈熱氣後關閉氣孔,將水分儲存於體內等。

生活在都市裡的樹木,面對了哪些壓力?

樹木面對各式各樣環境要素,其生活樣式也不同。然而這樣的生活並非一朝一夕,而是經過不斷演變而獲得的機能。當環境突然改變時,樹木當然也面對很大的生長壓力。

行道樹面對的都市環境,如水泥、柏油等人工基盤,引起的高溫化要比郊外氣溫還高,遠遠不同於自然環境生長的樹木。

那些生存在都市內的行道樹和景觀樹,它們面臨的氣候環境,又是截然不同的情況了。圖/Pixabay

面對嚴峻的都市微氣候環境,水分吸收為生存的關鍵要素之一。當水分不充足,直接反映於蒸散的受阻。而通風不良時,枝葉蒸散也容易出現病蟲害。

相對的,風過大反而帶給樹木物理損傷,同時引起土壤蒸散、落葉等問題。尤其長期遭受東北季風吹襲,因低溫使根系衰弱無法吸收水分,間接影響蒸散能力。行道樹受到大樓風影響也容易出現落葉、枝條斷裂、傾倒等災害,其環境因素直接影響樹木生理。

——本文摘自《聆聽樹木的聲音》,2022 年 7 月,麥田出版

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麥田出版_96
18 篇文章 ・ 13 位粉絲
1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。

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崩塌作用會如何影響氣候?在太魯閣舉行的龐大實驗
Lea Tang
・2019/12/18 ・2147字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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崩塌,對在台灣生長的我們來說並不陌生。為了更加了解崩塌作用對人類甚至於大氣的影響,一場在太魯閣國家公園的實驗即將展開——

最理想的實驗室

崩塌(landslide),指的是在重力影響下,塊體沿著坡度產生大範圍移動的一種地質現象。通常只要符合三項基本要素:地勢陡峭地震,崩塌就會被觸發。台灣位於西太平洋火山地震帶,除了地震多、颱風(短時間內強降水事件)也多,這類頻繁的極端事件使得台灣成為世界上最容易發生崩塌現象的國家之一。

地震讓土塊因震動變得鬆散,大雨則減少土壤顆粒中的摩擦力。圖/pixabay

太魯閣國家公園(Taroko National Park)就是一個最典型的例子。其陡峭的大理石峽谷,成了科學家眼中最理想的實驗室。

崩塌會釋放二氧化碳?

過去三年中,德國地貌學家霍維斯(Niels Hovius)與同事們在太魯閣國家公園到處安裝儀器,意圖打造台灣最全面的景觀動態觀測站。這個實驗有兩大目標:監視崩塌並了解其觸發因素,以及探討另一個肉眼看不見的影響——

崩塌作用會消耗大氣中的二氧化碳?還是釋放更多二氧化碳到大氣中?

大多數儀器將作為崩塌檢測器,地震儀紀錄館時造成的震動;相機用來記錄新鮮的崩塌沉積物及裂痕。圖/sciencemag.org

當崩塌發生,其催生的化學風化可能會釋放二氧化碳,或消耗掉大氣中的二氧化碳。藉由分析崩塌現象是一種碳匯(carbon sink)、亦或是碳源(carbon source),能幫助研究人員將碳循環(carbon cycle)——這個掌控地球氣候及宜居性的關鍵因素——模擬得更加完善。

在說明原理前,我們需要稍微了解碳源碳匯碳循環這幾個專有名詞所代表的意思。

什麼是碳源?碳匯?碳循環?

碳循環示意圖:以植被(vegetation)為例,藍色小箭頭和數字代表碳藉由植物的光合作用被儲存到植物體(121.3)、再由呼吸作用(60)、腐敗分解返回大氣(1.6)。圖/wikimedia

碳源(carbon source)指的是碳的排放源,包含燃燒石化燃料、森林火災和呼吸作用等,把原本被儲存起來的二氧化碳釋放到大氣中。碳匯(carbon sink),又稱吸納源、吸儲庫,是碳的儲存庫。例如海洋、土壤及植物的光合作用,能從大氣中吸收並儲存二氧化碳。

通常兩者間會形成動態平衡。這種碳元素在地球上大氣、生物圈、岩石圈、土壤圈及水圈彼此交換流動的循環方式,就稱之為碳循環。

崩塌對大氣的無形影響

雖然自工業革命後,人為產生的二氧化碳已經成為碳循環中的主導力量,但化學風化——以本文來說是水與被侵蝕裸露岩石間的交互作用——是自然界中另一個強大的參與者。

而崩塌作用,是催化劑。

崩塌可以產生更多岩石的裸露面,增加表面積來參與風化作用。圖/wikipedia

它可以讓岩石產生更多新裸露面,增加參與化學風化的接觸面;或是留下刻痕,方便雨水向下侵蝕。

要判斷受崩塌所驅動的化學風化作用是釋放還是吸收二氧化碳,取決於岩石的組成成份和酸。大氣中的二氧化碳溶於雨水生成碳酸,這種弱酸能與矽酸鹽組成的岩石(如砂岩、花崗岩等)反應產生碳酸氫根離子。碳酸氫根離子經由雨水沖刷入海後,被生物利用形成碳酸鈣殼體。當生物死去,遺骸最終可在海床上堆積長達數百萬年。

這便是碳匯(carbon sink)。

若碳酸雨水落在石灰石或其他碳酸鹽岩石地區,只要附近有黃鐵礦之類的硫化礦物,就會有相反的結果。硫化物先是和氧氣反應生成硫酸,溶解碳酸鹽岩石後釋放二氧化碳,

變成碳源(carbon source)。

不同環境,不同的化學風化

根據前文,不同環境下會有化學風化上的差異,那麼已知 1/4 是碳酸鹽岩的太魯閣國家公園究竟是吸收還是釋放碳啊?

要判斷是由哪種風化作用主導,就得靠分析河水和崩塌滲液中的離子。

美國學者羅伯特‧艾默生(Robert Emberson)主張,太魯閣是二氧化碳的碳源(carbon source),因為碳酸鹽岩和硫化礦物的反應比矽酸鹽和碳酸的反應快了數千倍。中研院同位素地球化學家黃國芳卻認為:過去幾世紀的時光,已經幾乎讓硫化礦物與碳酸鹽消耗殆盡,未來可能反而是矽酸鹽的風化佔上風。

欲知後事如何,請待下回分解

倒塌的樹幹也有極重要的地位。圖/pxfuel

另外在崩塌作用下被移動的樹幹、植被等,也開始它們由河流邁向海洋的旅程。由於植物本身就儲存了碳,若這些有機物質在腐爛前被快速掩埋,可以防止分解時再度把二氧化碳釋回大氣。

對此,科學家們決定在太魯閣和其它有相似岩石組成的地方測量崩塌的淨風化作用,了解風化作用隨著時間推移會有什麼改變;他們也監控被沖到下游的樹幹來紀錄它們的狀態。

落落長說了一大段,結論其實很短。

Q. 太魯閣的崩塌作用到底是排碳多?還是吸碳多?

A. 一切還有待確定。

因為除了岩石的組成外,時間、附近的有機物質等都是影響最終判斷該地區是吸碳還是釋碳的關鍵因素。所以欲知後事如何,還請客倌們耐住性子、靜心等候了。

參考資料:

  1. A massive experiment in Taiwan aims to reveal landslides’ surprising effect on the climate
Lea Tang
20 篇文章 ・ 8 位粉絲
徜徉在極北之海的浪漫主義者。 喜歡鯨豚、地科、文學和貓。