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親愛的,科學家把電池縮小了!

吳京
・2014/12/04 ・2306字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

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神器級的手機公司Nokia有句經典的廣告詞是這麼說的「科技始終來自於人性」。這句話沒什麼問題,但他忘記補充人性其實充滿了混亂與矛盾,人們常做些自取其辱或是作繭自縛的事。好比說自從手機發明以來,的確帶給人們許多便利,但也產生了必需「被找到」以及「保持通話」等等的心理壓力。

相信每一個人都有不想接電話,或是講手機講到不耐煩的時刻。這時,兼著鴕鳥心態將手機關機,然後說「啊!我手機電池沒電了!」是一個已用到爛但尚不失禮藉口。

科學家們正積極地把這個爛藉口消滅,他們想讓鋰離子電池變得更輕薄短小、更高電量、更人性化。開發新材料一直是這齣「電池演化論」歌劇中的主角,但近年來奈(微)米科技(尺度在10-9公尺大小下操作的技術)的運用,也在這舞台上有亮眼的演出。

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手機越來越小的演化方向,需要輕巧的電池來支持。圖片來源:網路流傳照片,找不到起源 但後來手機又慢慢變大了…

讓電池的電極上帶有微小尺度的結構,可增加電極與電解質接觸的表面積,縮短電解質中離子漂移到電極的平均距離,密緻的結構也讓電池的蓄電力最佳化。如此一來,會提高電池的能量密度(energy density),縮短充電所需的時間,電池也能輸出較高的功率(註)。塗佈奈米材料的電極還可免於電解液的侵蝕,達到延長電池壽命的效果。有了那麼多優點,難怪科學家們無所不用其極地在研發所謂的「奈(微)米鋰離子電池」。

把奈米結構引入鋰離子電池內的研究刻正處於百家爭鳴的時代。比較傳統的,是將奈米氧化物及合金材料鍍(或塗佈)在電極上;再進階的,是直接把電極構造奈米化:有些人借用半導體產業常用的微影技術加上差別蝕刻法,做出矽的奈米溝槽再鍍上電極;有人將聚合物奈米球堆起來,在其上電鍍電極後,再把聚合物蝕刻掉,得到奈米多孔隙的電極;亦有的團隊利用「3D列印」技術印出整齊、立體的微米尺度電極。想要在那麼小的尺度下進行工程,各家手法可說是八仙過海,各顯神通。

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利用聚合物奈米球做的奈米多孔隙電極。 圖片來源:nature communication(論文公開圖片)
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利用3D列印技術的微米電極 圖片來源:Advanced material (論文公開圖片)

上揭種種雖號稱「奈米電池」,實際上是「帶有奈米尺度電極的電池」,單顆電池的大小還是立方公分為單位的等級。近期(2014年11月)馬里蘭大學的研究團隊在《自然-奈米科技》期刊(nature-nanotechnology)發表的研究成果,則展示了貨真價實的奈米電池。他們在郵票大小的面積內,塞進了數億根柱狀電池,形成一個並聯陣列,每一根都有獨自的陰極、陽極和電解液,徑寬則只有250奈米的大小。

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數億根的奈米電池並聯陣列 圖片來源:nature nanotechnology(論文公開圖片)

由於組成這個陣列的數億根奈米電池可做到規格一致,因此並聯效率十分優異。另外,在250奈米大小的尺度下,研究團隊還可於單根電池陰極、陽極兩端,再增加一圈深入奈米管的銣金屬當做電流搜集層,如此擴大了導電帶與電解液的反應面積,也提升了電池的表現。這篇文章的第一作者Chanyuan Liu表示,這種奈米柱電池的並聯陣列可在12分鐘內充飽電,且可重覆使用數千次。

這麼小的電池是利用「陽極氧化鋁(anodic aluminum oxide, AAO)」製成的蜂巢狀奈米管柱陣列為地基,再以「原子層沉積技術(atomic layer deposition)」在各奈管柱兩端長出電流搜集層及電極,並灌入電解液而完成的。研究團隊認為這樣的構造有大量生產的潛力,希望有朝一日這種電池能邁向商業化的目標。

當然,館主很樂意再解釋什麼是「陽極氧化鋁」及「原子層沉積技術」。然而,在高電量電池真正商業化以前,你知道的,館主的筆電電池快沒電了,還是請各位朋友自行參閱聯結網頁的解說吧!

註:一般而言,電池的功能是儲存電能,輸出的功率(電流乘電壓)不大,相對的,電容有很強的功率,但無法儲存太多電能。故手機、電腦等消費性電子產品的電路中,通常都會有電池及電容,電池供平常使用,跑較複雜的程式時,則由電容提供較大的功率;同樣的,電動車等機具也有電池及電容供一般巡弋及加速使用。因此,若以奈米技術幫助電池打破功率的限制,則可用一個奈米電池取代傳統的電池加電容組合,讓電子產品更輕巧!

參考資料:

  1. 說說奈米鋰電池二次電池“,文/李曉潔,科學研習月刊46-7。
  2. All-Solid-State Lithium-Ion Microbatteries: A Review of Various Three-Dimensional Concepts“,
    Jos F. M. Oudenhoven, Loïc. Baggetto and Peter H. L. Notten*, Advanced Energy Materials Volume 1, Issue 1, pages 10–33,January 1, 2011.
  3. High-power lithium ion microbatteries from interdigitated three-dimensional bicontinuous nanoporous electrodes“, James H. Pikul, Hui Gang Zhang, Jiung Cho, Paul V. Braun & William P. King, Nature Communications 4, Article number: 1732.
  4. 3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures“, Ke Sun1, Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jung Yoon Seo, Shen J. Dillon, and Jennifer A. Lewis, Advanced Materials, Volume 25, Issue 33, pages 4539–4543, September 6, 2013.
  5. An all-in-one nanopore battery array“, Chanyuan Liu, Eleanor I. Gillette, Xinyi Chen, Alexander J. Pearse, Alexander C. Kozen, Marshall A. Schroeder, Keith E. Gregorczyk, Sang Bok Lee & Gary W. Rubloff, Nature Nanotechnology 9, 1031–1039 (2014).
  6. A billion holes can make a battery“, Sciencedaily November 10, 2014.
  7. 什麼是陽極氧化鋁“,交通大學潘扶民老師實驗室。
  8. 奈米結構原子級薄膜製程技術“,國家實驗研究院儀器科技研究中心。

本文轉載至吳京的量子咖啡館

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吳京
26 篇文章 ・ 3 位粉絲
正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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未來可能會有這個職業嗎?創造創意與美感兼具的發明:未來藝術家——《拯救地球的工作者》
和平國際
・2022/11/05 ・1731字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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編按:現在的生活瞬息萬變,在未來的世代,可能會出現許多你想都沒想過的職業。讓我們與孩子一起發揮想像力,你覺得未來會有什麼樣的職業出現呢?

未來藝術家:創意的發明或許也是一種藝術

未來藝術家大賞總決賽即將開始,這個獎項是為了獎勵最有創意及具有藝術感的科學家。現在已經廝殺到總決賽的階段了,評審團必須從三件「作品」中選出首獎。這三件作品截然不同,但是都很創新,每位參賽者會發表演說,談談自己的創作理念,盡可能說服評審。

丹尼第一個發言,主題是手拿顯微鏡的大廚:「大家想像一下,把試管想成鍋子,把滴管想成湯勺,把蒸餾器想成烤箱,科學家不也是在做菜嗎?我在廚房實驗室調配無數特殊風味的菜餚,帶給大家前所未有的感官享受,有醣、碳水化合物,也有蛋白質,融合出全新的味道。我最自豪的藝術品是『植物肉』!吃起來就像肉,卻是在實驗室用馬鈴薯和大豆合成的。」

手拿顯微鏡的大廚。

第二位參賽者是莉雅,會不會有更驚人的作品呢?莉雅以「大自然設計師」為主題開始介紹:「超強力貼紙的靈感來自章魚的吸盤,火車頭是仿造鳥喙的形狀,超強光線感測器神似蝗蟲的眼睛。動、植物是豐富的生物圖書館,總會激發創意靈感。我的成名之作是這件『隱形斗篷』!我長年研究變色龍,研發出一種會隨著環境變色的布料。」

大自然設計師。

觀眾席的驚叫聲不絕於耳,現在輪到安妮塔上場了,她的主題是「微型雕塑家」。

「你們有聽過奈米科技嗎?我運用最先進的顯微鏡,每天研究分子碎片,小到奈米量級,比髮絲纖細十萬倍。我運用科學為藝術服務,善用奈米粒子修復古老大理石雕像,以及受汙染侵蝕的神廟,終於有新工具可以拯救偉大的藝術遺產了。」

微型雕塑家。

比賽結果就快揭曉了,誰會是贏家呢?倒數計時,三、二、一……大型計分牆竟然顯示:平手!這是未來藝術家大賞第一次出現三位冠軍。

丹尼、莉雅和安妮塔開心相擁。等你長大,說不定也會成為未來藝術家喔!

未來藝術家的工具組

動態雕塑、磁吸繪圖、隨時間變換的調色、特殊眼鏡,都是未來藝術家的工具,將帶領我們體驗未知。未來數十年的藝術將會大洗牌,未來藝術家早已蠢蠢欲動,準備大顯身手,大膽的實驗和創作!

什麼是科學料理?

科學料理的精髓在於「食譜藝術」,以生物化學的專業知識為基礎。目前最先進的研究莫過於研發人造肉,改善肉品產業密集的畜牧行為,提供更尊重環境和動物生命的替代產品。

什麼是生物統計學?

生物統計學是仿效生物的特徵(包括動、植物)來改善人類既有的科技,其中最著名的成品有新一代黏著劑、特殊顏料、先進布料。

什麼是奈米科技?

奈米科技是新的研究領域,善用極其微小的物質來設計特別輕盈的材料或肉眼看不見的裝置,工業用途廣泛。

未來藝術家要有的能力

○ 跳脫框架思考

○ 想像力

○ 具有觀察精神

○ 同理心

○ 美感

○ 有團隊合作的精神

——本文摘自《拯救地球的工作者》,2022 年 10 月,和平國際出版,未經同意請勿轉載。

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蠶繭電池是綠能的未來?!
胡中行_96
・2022/08/25 ・2454字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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一襲華美的傳統印度紗麗,在燈光下反射出璀璨的光芒。仔細收縫的布邊,附了一只小標籤,上頭繡著飛蛾般的圖樣。那是印度絲綢標誌組織,授予的真絲證明。[1] 買衣服看布料成份,天經地義。不過,如果有一天市面上販售蠶繭電池,廠商是否也會標榜百分之百純天然蠶絲? 2022 年 8 月的《科學報告》期刊上,二名印度學者詳細解說他們攜手打造蠶繭電池的流程,以及背後的科學原理。[2]

將來蠶繭電池廠商,也可以申請印度絲綢組織的真絲證明嗎?圖/Satish Krishnamurthy on Flickr(CC BY 2.0

蠶繭電池的製作

首先,他們弄來一些印度當地家蠶(Bombyx mori)的繭,攤在陽光下曝曬,以確保裡面沒有活著的蛹。吹掉灰塵後,再把蠶繭儲存在木櫃子裡備用。接著,於 25 毫升的再蒸餾水中,加入 12.5 公克的食鹽(NaCl),然後把蠶繭丟進去浸泡 24 小時。另外,也用雷同的方法,準備分別泡了再蒸餾水和氯化鉀(KCl)水溶液的兩個組別。[2]

(a)每個蠶繭都被切成兩份,做一顆蠶繭電池需要 8 份。[2]

(b)切好的蠶繭內面緊實地套住鋁片;外頭則綑上銅線。鋁是負極;銅為正極。[2]

(c)將組裝好的 8 份蠶繭串起來,放在吹風機和圓底瓶之間。上頭吹熱風;下面供應水蒸氣。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 2)

經過一番測試之後,研究團隊最滿意食鹽水這組的結果,決定再做一個進階版的裝置:他們將蠶繭電池放在熱水壺的壺嘴,並接上 LED 燈泡。熱水大滾,水壺裡冒出來的蒸氣觸發蠶繭電池,燈泡就會發光,像下面影片中看到的模樣。[2] (畫面長寬比例差距過大,建議開全螢幕較方便觀賞。)

安裝了蠶繭電池和 LED 燈的熱水壺。來源:參考資料 2,Supplementary Video S1

蠶繭電池的原理

(a)蠶繭是一層內外結構不對稱的絲質薄膜。圖中黃色代表內面;褐色則為外側。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 9a)

(b)此為蠶繭薄膜切面的局部放大圖。由內(黃色)而外(褐色),蠶繭上面細孔通道的尺寸逐漸變大。[2]這個結構平時的功能,是令水分子和二氧化碳得以快速地排出,但卻只能緩慢地滲入。前者確保蠶繭幾乎防水;後者則避免類溫室效應的發生。[3]

(圖/參考資料 2,Figure 9b)

(c)圓底瓶供應的水蒸氣,被困在細孔通道中。當吹風機為蠶繭加熱,水分子與蠶繭蛋白作用,H3O+ 等電荷載體應運而生。它們會因為通道內外寬窄帶來的水壓不對等,而朝單一方向運動。[2][註]

(圖/參考資料 2,Figure 9c)

(d)鋁和銅基於電負度(electronegativity)不同,也就是吸引電子的能力有所差異,更加劇了方向性移動的效果。[2, 4] 另外,食鹽水能增加電荷載體的濃度,促進蠶繭電池導電的效能。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 9d)

吹風機的熱風與圓底瓶的水蒸氣,讓水分子迅速穿過蠶繭的細孔通道,也就是快速充電的意思。[2] 這個乾溼無限循環的靈感,源自蠶繭所處的自然環境。蠶繭通常吊在樹上,樹葉會給它滋潤的水氣,但陽光又導致水份蒸散,二者不斷改變溫度與濕度。然而,當蠶繭被放在攝氏 5 和 50 度的環境下,裏頭還能分別維持 25 與 34 度。[3] 在調節溫度的過程中,從溫差產生電能,便是熱電效應(thermoelectric effect)的展現。[2, 5] 當溫溼度都極高,充飽電的蠶繭就會用類似腦波的信號,通知蛾該退房了。[2, 3] 這也就是蛻變的現象,具有季節性的原因。[3]

(蠶的一生。圖/Internet Archive Book Images on Flickr(Public Domain))

蠶繭綠電建築

蠶繭電池製作起來雖然事倍功半,但是研究團隊寄予它極高的期望。充電靠水蒸氣;導電用食鹽,二者都是地球上容易採集的資源。因此,他們認為蠶繭電池的前景,必然優於目前市售的儲電或發電裝置。是不是純天然蠶絲不要緊,重點是希望未來能夠人工模仿蠶繭的結構,以生態友善的方式,建造會自體發電的生物聚合建築。如此一來,就能輕易滿足偏遠地區、戰略要地以及其他地方的用電需求。[2]

  

備註

原文專業的說法是,內外寬窄不對稱的細孔通道中,水壓梯度會導致電位差,進而使電荷載體出現方向性的運動。

參考資料

  1. Silk Mark – A Quality Assurance label (Silk Mark Organisation of India, 2017)
  2. Jangir H & Das M. (2022) ‘Designing water vapor fuelled brine-silk cocoon protein bio-battery for a self-lighting kettle and water-vapor panels’. Scientific Reports, 12, 13999.
  3. Tulachan B, Srivastava S, Kusurkar T, et al. (2016) ‘The role of photo-electric properties of silk cocoon membrane in pupal metamorphosis: A natural solar cell’. Scientific Reports, 6, 21915.
  4. 電負度(國立臺灣大學 科學Online,2010)
  5. Chandler DL. (2010) ‘Explained: Thermoelectricity’. Massachusetts Institute of Technology.
胡中行_96
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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。