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手心的太陽怎麼運行?暖暖包的科學

李 卓然
・2015/01/23 ・2889字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

冬天到了超級冷,小手沒人牽的魯編更是常常手腳冰冷,這時有個暖暖包放在手心就算不能補足心靈的冷也能提昇一下手掌的溫度,嗚嗚嗚。市售的暖暖包大概有哪幾種?背後的科學又是什麼呢?

一般來講現在常見的暖暖包大概有三種,一種是最常見也最便宜的拋棄式暖暖包,一拆封就會開始升溫可以使用好幾個小時;一種是用完之後用沸水煮一煮就可以重複使用的暖暖包,在用之前需要摺疊拍打一番,發熱時間大概只有一兩小時;最後一種是電子暖蛋,利用USB插頭充滿電後隨時按下開關就能開始產熱,亦能隨時暫停使用。

拋棄式暖暖包

拋棄式暖暖包
拋棄式暖暖包

拋棄式暖暖包一但拆封後就會開始發熱,搓揉裡面的細沙物質好像會有更熱的感覺,一旦開始使用之後就沒辦法暫停而且用完就得丟掉。這種暖暖包裡面的主要成份是:鐵粉、食鹽、蛭石、和活性炭,有點化學概念的人就會知道,這其中的主要發熱成分是靠鐵粉,其他的物質只是來輔助反應的進行,這種反應叫做氧化還原反應。

氧化還原反應

氧化反應與還原反應是一體兩面的事情,從電化學的角度來看,失去電子的物質被氧化,得到電子的物質被還原,換句話說一個物質要氧化必定代表另一個物質被還原,反之亦然。兩個物質透過電子的轉移,個別從一個比較高能的不穩定狀態轉變成一個比較低能量的穩定狀態,並且釋放出能量,這就是一個放熱的氧化還原反應,拋棄式暖暖包正是利用這種原理來發熱。

氧化還原反應牽扯到電子的轉移
氧化還原反應牽扯到電子的轉移

拆封後暖暖包裡面的鐵粉開始接觸空氣中的氧氣並開始氧化還原反應,這個反應其實就是日常生活中常見鐵生鏽的反應,反應式如下:

4Fe(s)+3O2(g)→2Fe2O3(s)          ΔH=-826 KJ/mol

這個式子所表達的意思就是鐵被氧氣氧化,而每莫耳的鐵被氧化成氧化鐵時會放出826千焦耳的熱量,如果假設一包暖暖包裡面有11克左右的鐵粉,完全反應後大概可以提供39520卡左右的熱量,稍微轉換計算一下的話,大概可以想像是10克左右的碳完全燒掉所能產生的熱能。

這邊產生兩個很重要的問題,第一個是,一般生活經驗告訴我們鐵生鏽是很慢的過程,為什麼我們可以在短時間內就把鐵氧化掉?第二個問題是,為什麼跟燃燒10克的碳產生一樣的熱量,如果真的是燒炭我們的手可能已經燙傷了,為何暖暖包可以慢慢的釋放熱量而不致於溫度太高?

一開始所提到的氧化還原其實就是電子的轉移,電子就像想像中的電一樣,有適當的導電介質才能使反應進行的更快,暖暖包裡面的蛭石是一種矽酸鹽類的礦物,裡面很多空隙而且有涵水的能力,與活性炭一樣,這兩個添加物接觸空氣後都會快速的吸收空氣中的水份,而光有水還不夠因為水本身導電性不強,因此添加的食鹽就在這時派上用場,食鹽溶解後變成電解液,可以幫助電子以及離子的轉移,所以有了這些添加物的幫忙才能使鐵的氧化反應加速進行。

有水才能讓鐵離子移動並與氧氣形成氧化鐵,也加食鹽的水溶液可以讓離子的移動效果更好
有水才能讓鐵離子移動並與氧氣形成氧化鐵,也加食鹽的水溶液可以讓離子的移動效果更好

至於第二個問題,答案跟第一個問題其實也有些相似,首先溫度的高低可以用以下公式表示:ΔH=msΔT,ΔH是熱量的變化,m是質量,ΔT是溫度變化,其實就是得要計算暖暖包本身的比熱,再來要考慮的就是反應速率的問題,因為這些添加的輔助物質可以決定反應速度的快慢,而在越短的時間內提供越多熱量溫度就會上升的越高(因為溫度散失的速率基本上不太會改變),所以廠商會調整添加物的量,讓反應不要太快也不要太慢,調到一個正好適合冬天和寂寞的溫度。

當然有許多國高中生的科展題目都曾經探討過如何改良這類的暖暖包,例如使用比鐵更活潑的金屬如鎂或鋅等等,各種改良都很有潛力但最重要的還是如何讓使用人用起來舒適方便並且成本適宜而不是一味的追求更熱或更持久。

重複利用型暖暖包

重複使用型暖暖包
重複使用型暖暖包

這種暖暖包比較少見點,使用時先折一折壓一壓就會開始發熱,發熱時間也比較短大約一兩小時就不會再熱了,這種暖暖包的原理是利用過飽和溶液結晶的原理。

過飽和溶液

當一種溶質溶解在水裡面時,我們稱這個溶液叫水溶液,而每種物質都有一個最高可以溶解的量,到達這個量以後就無法在溶解更多溶質了,這時此溶液給他叫做飽和溶液。

經驗告訴你,如果要在飲料裡面溶解更多的糖,你只要加熱就可以辦到,當我們把飽和溶液加熱,溶入更多溶質再冷卻回原來溫度時,如果沒有結晶析出,這溶液就變成了過飽和溶液。然而過飽和溶液相當不穩定,只要受到一些刺激就會突然變成晶體析出,以下是過飽和醋酸受刺激後結晶的影片:

影片中,只要把一顆小小的醋酸結晶放入過飽和醋酸溶液中,晶體就會依附著晶核快速形成。

在醋酸鹽過飽和溶液晶體析出時,因為從一個不穩定的狀態到一個穩定的狀態,這過程也會放出熱量,這類暖暖包就是利用這個原理來發熱。它的構造其實就是一個包著過飽和的醋酸鹽溶液的塑膠袋子,裡面有塊鐵片,這鐵片正是關鍵所在。

鐵片裡面有些小空間,這空間裡面不利於形成過飽和溶液,所以裡面其實已經有醋酸結晶了,當鐵片被擠壓時這些結晶就會釋放出來,而一接觸到結晶體的過飽和溶液就會立刻開始結晶。

但是因為相轉變所釋放出的熱量遠不如化學反應所產生的熱量,因此能使用的時間也比較短,好處就是使用完後可以把暖暖包丟到熱水裡面加熱,結晶的醋酸鹽就會又被溶成過飽和溶液,以供下一次使用了。

充電暖蛋

充電式暖蛋
充電式暖蛋

暖蛋就相對的簡單許多,只需要先用USB插頭接上電源充滿電,等需要用時再打開開關就可以使用。他的原理其實就是把電能轉成熱能,P=I2R的公式就可以表示其原理,其中P是功率(每單位時間內產生多少能量),I是電流,R是電阻。

把儲存的電流通過一個高電阻的的阻抗就可以開始產生熱能,其中的巧妙之處就是一般的暖蛋裡面會有個感溫晶片,可以設定在一個特定的溫度,只要偵測到該溫度時就會停止供電,這樣就可以確保溫度不會太燙又能使用的長久,至於為什麼大家都做成蛋形又被叫做暖暖蛋我也不知道別問我了。

所以總結來講各種暖暖包都有自己的優缺點,如何選擇就都還是看個人喜好了:

  • 拋棄式暖暖包便宜好用,但是如果顧慮到環保的問題就可能不太良好。
  • 醋酸鹽式的重複利用型暖暖包也不貴,可以多次利用,但是使用時間短。
  • 充電式的暖蛋價錢貴一些,只要充電數十分鐘就可以重新使用,造型可愛,但是如果弄丟就比較心疼,或買到的是對面某強國的黑心貨不排除發生漏電或是短路爆炸等危險。

終於知道暖暖包怎麼暖暖手,那什麼時候才會遇到不只暖手也能讓左心房暖暖的好飽滿的暖暖包呢?

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李 卓然
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PanSci 實習編輯,陽明大學生物醫學技術暨檢驗學系畢業。對科學新知總是充滿興趣與好奇,對各種事情都保持懷疑和謹慎的態度所以常常被覺得人很機歪,但我真的只是想要很科學而已啊!

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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

降低碳排還不夠,奈米材料幫你直接減少二氧化碳!

氣候變遷問題日益嚴重,2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份,臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標,設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員,他的研究專長是奈米能源材料,我們將介紹一種複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),在太陽光照射下,此材料表面發生的氧化還原反應,會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳?根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據,2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸,而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下,每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤,相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油!

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」,人類活動排放的溫室氣體,已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去,碳排放量可預期將不斷上升,大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示,地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 註 1,否則將有不可逆的後果,例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此,世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標,並不是說都不排碳了,而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消,達到「淨零」的目標。

要達到淨零的目標,除了尋找與開發減碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下,如果可以像植物一樣,只要照太陽光,就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物,聽起來不錯吧?但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定,要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應?

我們可運用「陽光」與「光催化材料」(又稱光觸媒,photocatalyst),不僅可以減碳,還能產生有價值的碳氫化合物,是一種「一舉兩得」的方法!

光觸媒(光催化)材料是什麼?

在談到光催化材料之前,先複習一下「催化劑」這個概念,催化劑不參與化學反應,但是它讓原先不可能的化學反應變得可行!陳貴賢分享,這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山,經過九彎十八拐的北宜公路;但如今有了「雪山隧道」之後,就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外,催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色!在過去,農作物施肥只有天然氮肥可以使用,產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加,《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面,波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔,用來收集當肥料用的鳥糞。

到了近代,陳貴賢提到在 20 世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)透過催化劑,在高溫高壓的條件下,以鐵粉做為催化劑,讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能,人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥,農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」,顧名思義就是協助光化學反應的催化劑,但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於,其化學反應通常發生在固態的表面環境,目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料,你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」,例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能,其實就是照射足夠的光,讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸,這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構,且大幅增加反應的表面積,讓光催化反應更有效率。

陳貴賢:「一個高表面積的奈米粉末,它的表面積可能是薄膜的一萬倍,甚至於十萬倍。」

給你電子,還你原形!光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的?

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳,是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」,氧化反應會失去電子,還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),可以讓二氧化碳還原成甲醇(CH3OH)和乙醛(CH3CHO),這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下:

要持續減少二氧化碳,就要持續發生上述還原反應,持續供給電子。不過,我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面?這裡就開始涉及到半導體的核心問題:電子與電洞的產生、分離和傳輸

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:ZnS/ZIS,是結合兩種奈米半導體材料,透過水熱法合成,將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,形成 0D-2D 結構的 ZnS/ZIS 複合物,就像製作巧克力豆餅乾,不過要複雜得多。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

既然 ZnS/ZIS 是半導體,當受到光照之後,原來的價帶(valence band)電子會被光激發成導帶(conduction band)電子,原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位,就是電洞。電子和電洞的遷移,就是半導體形成電流的原因,因此電子和電洞都稱為「載子」(charge carrier)

還記得上面的還原反應嗎?

對光催化材料來說,為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇,必須獲得穩定的電子來源,材料內部要迅速補充電子到表面,因此:

照光產生的電荷載子數量越多越好;產生的電子和電洞要傾向分離,分得越遠越好;電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定,首先照光產生的載子要多,就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合,照光產生的電子和電洞很容易復合,一旦復合,等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好,可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS/ZIS 光催化材料,依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99,分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中,ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇(如下圖)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率,陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值(apparent quantum efficiency),用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量,產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後,ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%,量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍!

這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合,因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率,選擇兩種不同的半導體材料組合,讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞,並且把電子送到它該去的材料表面。

此外,使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」,以符合光催化反應的能量門檻,自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後,繼續往 ZIS 跑,光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面,還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快!控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發,陳貴賢提到:「材料低能階,然後光子進來後,把電子激發到高能階去做反應,太陽能電池也是這樣。但是呢,有時候沒那麼剛好,例如激發後的能階不夠高,雖然激發上去了,但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起,電子上去以後又下來,然後再吸收第二個光子上去,那就變得很高了,高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖,如下圖所示,電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發,變成自由電子,接著經過設計完善的材料介面,先降到較低的 ZIS 束縛區,受到第二次光子的激發,再次變成自由電子,跑到光催化材料的表面,和二氧化碳發生還原反應,將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

看看電子走過的路,如果向左歪著頭看,是不是就是一個 Z 字呢?科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」(Direct Z-scheme)。「直接」的意思是,電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程,不需要再經過一個中間地帶,降低電子和電洞復合的機會。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料,電子可以不需要中間的「轉接站」,直接轉移到另一個材料上呢?這裡也有一個巧思:不同材料之間的「微應變」

不同材料的晶體排列規律是不一樣的,當兩種材料接在一起時,接面處會發生「晶格不匹配」,也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是,如果我們可以控制微應變(Strain)的程度,就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置,微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能,進而形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。

總之,陳貴賢團隊開發的這套材料組合,是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料,可做為未來量產光催化材料的研發設計參考,同時也是減碳的解方之一。

ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示,目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域,他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸,有太陽能電池和熱電材料,同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料,以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展,因為在 2050 淨零排放之前,有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列,企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中,台積電為蘋果主要供應商,2020 年也加入 RE100,目前為臺灣再生能源的主要買家

可以預見,將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求,而能夠減少二氧化碳的光催化材料,也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到,當前光催化材料還在基礎研究階段,目前的人工光合作用效率約 1%,接近大自然效率,而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上,方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值,不僅轉化後的燃料可以賣錢,處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用,是一種前所未有的概念。

陳貴賢強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值。
圖|研之有物

註解

  1. 根據 IPCC 的資料,如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內,必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標,同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放,特別是甲烷。
研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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漱口,預測心血管疾病?
胡中行_96
・2023/10/02 ・1881字 ・閱讀時間約 3 分鐘

「您去找家庭醫學科或牙科做年度健檢時,可以進行漱口檢測。」2023 年 8 月《口腔健康前沿》(Frontiers in Oral Health)期刊加拿大論文的共同作者,誠心推薦:「這個簡單的口腔發炎評估工具,能於任何診所實施。」「優良的口腔衛生,跟定期看牙一樣,總是備受推崇,特別是看在此證據的份上。」通訊作者也在一旁幫腔。[1]所以,他們到底是研究什麼口腔疾患? 誤會大了,重點是心臟病啊!

圖/engin akyurt on Unsplash

研究設計

研究團隊招募了 18 至 30 歲之間,不抽菸、BMI 小於 30 kg/m2,沒有高血壓與心血管疾病,且常規藥物不會影響相關功能的 16 名男性跟 12 名女性,總共 28 名受試者。其中女性採樣時間必須在月經頭 2 天;口服避孕藥使用者為服用安慰劑期間;[註]其餘避孕方式則一律排除。研究團隊希望藉由篩選的條件,盡力避開老化、個人宿疾、特定生理差異等,各種會干擾結果的因素。[2]

人都找好之後,試驗步驟大致如下:8 小時內避免運動和攝取任何咖啡因或酒精,並且除了飲水外,禁食 6 小時。正式採樣當天,先測量身高、體重,用自來水潄口 10 秒,吐掉;稍候2分鐘,又以 10 毫升的生理食鹽水漱個 30 秒,再吐進 20 毫升的唾液收集管,送驗口腔嗜中性白血球計數(oral neutrophil counts)。接著平躺至少 10 分鐘,以心電圖測量心律;然後維持同樣的姿勢,測量血壓脈波速率(pulse wave velocity)和肱動脈血流介導舒張(brachial artery flow-mediated dilation)。[2]

口腔嗜中性白血球計數牙齦發炎程度的指標。檢體與 4% 的甲醛混合,冷藏於 4°C 的冰箱內直到檢驗,不得超過2天。經過離心機高速轉動處理後,除去上層澄清的液體,將沉澱的細胞與 500 µl 的 Hank’s 平衡鹽溶液混合。以 4 µg 的吖啶橙(Acridine orange)染劑,為其中 250 µl 的細胞上色,並靜置於室溫的暗房裡 15 分鐘。取出稀釋 10 倍,於顯微鏡下放大 200 和 400 倍,以血球計數盤(haemocytometer)輔助,肉眼計算嗜中性白血球的數量。[2]

血球計數盤示意圖。圖/Zhang S, Kuhn JR. (2012) ‘Cell isolation and culture’. In: WormBook: The Online Review of C. elegans Biology. Pasadena (CA): WormBook.(CC BY)

另外,脈波速率是感測脖子與大腿內側的脈搏,以二者的距離和脈波傳導的時間差計算速率,進而瞭解動脈的硬度:[2, 3]脈波速率愈快,代表血管壁愈硬。肱動脈血流介導舒張則是暫時阻塞血流再放行,透過超音波取得影像,以上臂肱動脈直徑變化的百分比,來反映其內皮功能的情形。[2]

漱口檢測的原理

受試者雖然沒有已知的口腔問題,但是某些其實有程度不等的牙齦發炎。研究團隊從上述諸多檢測的結果,歸納出一個明顯的現象:當口腔發炎愈嚴重,嗜中性白血球計數愈高;肱動脈舒張的變化就越小,即血管內皮功能越差。其他項目則沒有特別的關聯。[2]

口腔嗜中性白血球計數愈高,肱動脈舒張的變化就愈小。圖/參考資料 2,Figure 5(CC BY 4.0)

他們解釋,這是因為細菌組成的生物膜,也就是牙菌斑(dental plaque),所分泌的代謝物,滲透過牙齦溝(sulcus)上的連接上皮(junctional epithelium),擴散進入血流。於是,口腔發炎就變成系統性的發炎。此時,系統內的發炎性細胞素(inflammatory cytokines)濃度上升,因而減少血管內皮的一氧化氮(nitric oxide)產量,間接削弱血管舒張的能力,久而久之就容易得到動脈粥狀硬化(atherosclerosis)。[2]

牙齦連接上皮(JE)的位置。圖/Könönen E, Gursoy M, Gursoy UK. (2019) ‘Periodontitis: A Multifaceted Disease of Tooth-Supporting Tissues’. Journal of Clinical Medicine, 8(8):1135.(CC BY 4.0)

比起繁複或侵入性的心血管檢測,漱口絕對方便舒適許多。不過,現在這個前驅研究的規模甚小,因此論文的通訊作者表示,期望未來能納入牙周病患者,進一步探索不同程度的牙齦發炎,與心血管疾病的關係。[1]

  

備註

口服避孕藥每份有 28 顆,其中 21 或 24 顆含荷爾蒙,其餘的則為安慰劑。[4]

參考資料

  1. Gillham AB. (18 AUG 2023) ‘A simple mouth rinse could spot early heart disease risk’. Frontiers Science News.
  2. Hong K, Ghafari A, Mei Y, et al. (2023) ‘Oral inflammatory load predicts vascular function in a young adult population: a pilot study’. Frontiers in Oral Health, 4:1233881.
  3. Measurement of pulse wave velocity’. (03 JUL 2013) NHS Health Research Authority, U.K.
  4. The pill (combined oral contraceptive pill)’. (JUN 2023) Healthdirect Australia.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 60 位粉絲
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。

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舌頭、石頭,迸出新滋味?科學家為什麼要舔石頭?——2023 搞笑諾貝爾獎
PanSci_96
・2023/09/30 ・3674字 ・閱讀時間約 7 分鐘

J……J 個是!這顆石頭一接觸到我的舌頭,它就像火一樣燃燒,同時留下苦澀和尿味的味道,在這之後還留下了一點甜味。

圖/Youtube

這,這一顆石頭不一樣,它有酸辣味和硫酸鹽味,卻同時給我一種難以形容的愉悅感!就像在品嘗紅酒的酸味一樣!

圖/Youtube

等等,我並沒有壞掉,我現在做的事是某些地質學家和古生物學家真的會做的事,而且這件事還得了諾貝爾獎!只是是搞笑諾貝爾獎。

搞笑歸搞笑,舔石頭卻真的是再實用不過的方法。因為,舌頭真的是太好用了!

地質地科系祖傳秘招——舔石大法!

2023 年的搞笑諾貝爾獎的化學與地質獎頒給了地質學家揚.扎拉謝維奇,得獎的原因不是因為特定研究,而是它整理了地質學家和古生物學家「品嘗」岩石和化石的「研究史」。

有在跟我們直播的泛糰肯定知道,在今年搞笑諾貝爾獎頒發的隔週,上個月的 9 月 18 日,我們在 YouTube 官方舉辦的 2023 YouTube Festival 活動中,辦了一個實體見面會。在見面會中我們介紹了今年其中三個搞笑諾貝爾獎,其中就包含這則「地質學家為什麼要舔石頭」。另外兩個獎項分別是操縱死靈蜘蛛,和研究為什麼上課為什麼會令人感到無聊。這場見面會也有同時開直播,連結放在右上角的資訊卡,裡面提到不少有趣的觀點,歡迎去直播存檔複習。

當天,除了就像開場演繹的,不同岩石真的嚐起來味道不一樣以外,有一個地科系的觀眾,現場分享了另一個有趣的觀點。但先說聲抱歉,那時候觀眾手持的麥克風訊號沒有進到我們的混音器,所以在線上收聽的朋友沒有聽到前半段。

我們這邊重新轉述一下,這位觀眾說早在這個獎項頒發前,就知道用舔石頭來辨識種類的這種方法了,因為他的老師就是這麼教他的!沒想到,這竟然是地科與地質系祖傳的秘技嗎!

舌頭比手指還好用?

但除了味道外,觀眾還分享了一個這次搞諾沒有提到的原因,就是舌頭的觸覺可能比手還靈敏。某些岩石例如砂岩跟頁岩,可能用手摸不出差別;用舌頭舔,竟然就能分別出差別。

什麼,舌頭真的這麼厲害嗎?想想好像也是,我們吃東西的時候會用舌頭去感受食物的形狀,這些觸感甚至也是我們品嘗食物時,了解食物的重要一環。除此之外,我們還可以找出食物中的魚刺,或是卡在牙縫中的菜渣,有些人還能幫櫻桃梗打結呢。

圖/Giphy

但好像從來沒有人拿舌頭和手去做比較,因為只要講到觸覺,我們第一時間就會認為手指更加靈敏。

其實,還真的找到有人研究過,一群俄亥俄州立大學食品科技系的實驗團隊,就研究了這個問題。他們準備了幾個形狀極為相似的樣品,樣品的長度、厚度、缺口的大小都一樣,只有缺口處的傾角不同。

傾角從 45 度到 90 度都有,每塊的角度以 5 度為間隔。受試者必須拿起兩塊樣品,並在蒙眼的情況下,分別用摸或舔的方式來分辨出兩者分別為哪一塊。其中一塊始終是 90 度,另一塊則是從 65 度開始角度遞增。

這次的實驗有 30 位受試者,結果表明,使用手指來分辨兩塊樣品,平均要兩塊的角度差超過 19.81 度時,才能分辨出差異。如果用舌頭舔呢?只要兩者的角度差超過 12.75 度,就能分辨出差異!比用手摸的角度差小了許多,也就是舌頭真的比較靈敏。

實驗結果數據,JND(Just Noticeable Difference)表受試者在樣品相差幾度時能感受到差異。圖/Comparison of The Tactile Sensitivity of Tongue and Fingertip Using a Pure-Tactile Task

當然,這個實驗還有兩個方向值得討論,一是這只針對物體邊緣形狀的靈敏作分析,但觸覺有許多不同感受,例如紋理、粗糙程度等,所以可能每種觸覺做出來的實驗結果會不同。這個實驗看起來不難做,各位可以準備一些能放入嘴的材料,例如請朋友直接將比較硬的芭樂切成不同形狀來舔舔看差別,就能簡單復刻這個實驗甚至更改參數,有實際測試的觀眾也不要忘記留言告訴我們。我們這邊也同步徵求花京院來協助我們實驗。

而另一點是,關於舌頭為什麼有跟手指同等,甚至更強觸覺的生理機制,本篇研究僅止於現象探討,還未有深入研究。

圖/Giphy

濕濕的石頭更好觀察?

除了味覺和觸覺外,舔石頭還有另一個重要的原因,就是濕潤的石頭紋理更清楚,更方便研究。

這應該大家都有經驗,在學校的大理石地板拖地,或是海邊的鵝卵石,沾到水之後,石頭的紋理都更加清楚,看起來也更漂亮。但這又是為什麼呢?

影響的原因有很多,但影響最大的,就是濕潤的表面讓石頭更「平」,產生類似拋光的效果。但為什麼磨平拋光,顏色就更好看呢?

我們知道光線照到鏡子會產生反射,但鏡子很平整,如果現在照射到的是一個凹凸不平的表面,光線就會往四處反射,這種現象稱為漫反射。當我們只想看石頭上的其中一點時,旁邊的光卻會雜亂的跑進我們的眼睛,影響到對比度。並且各種顏色的色光聚在一起會形成白光,因此這些漫反射而來的光線,就會以白光的形式被我們看到。白話文就是,物體的對比下降了,但是整體的亮度提高,變成我們常看到灰白色的石頭表面。

直到石頭被拋光,或是因為濕潤產生拋光的效果,這些漫反射就會減少,石頭整體變得比較暗沉,但是斑紋之間的對比度提高了。這就是為什麼粗糙的石頭顯得灰白,浸濕之後卻呈現深沉而圖樣明顯的原因。

還沒完,薄薄一層水還會造成更多影響。例如,這層折射率介於空氣與石頭之間的介質,可以幫助光線稍微穿透岩石的表層後再反射出來,提供視覺上更多的紋理細節。如果將水換成木工中常使用的亮光漆,除了反射與折射外,亮光漆中的分子,還足以讓光線產生散射,讓你在上不同厚度的亮光漆時,能產生不同的顏色變化。

簡單來說,不論是水還是漆,這薄薄的一層介質,能像相機的鏡片一樣,透過光學調校,將更清楚、細節更多的影像送進相機的感光元件,也就是我們的眼睛上。而替換不同的鏡片,就能改變我們看到的樣子。

有介質存在於空氣與觀測物間時,光會產生折射,造成不同視覺效果。圖/askamathematician.com

這個看似玩笑的舔石頭研究,確實好像又有幾分認真的道理,我們自己在研究的時候,最開始也覺得超ㄎㄧㄤ,後來又發現能學到不少冷知識。

最後也想調查一下,除了舔石頭以外,大家還對哪一則搞笑諾貝爾獎有興趣,希望我們也來講講呢?

  1. 帶電的筷子,能讓食物更好吃?
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參考資料

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