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《大英雄天團-液態金屬》

Zobot
・2015/02/02 ・1147字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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哈妮蕾夢
Photo by Disney

《大英雄天團》的哈妮蕾夢可以不費吹灰之力,將原本硬梆梆的金屬在幾秒鐘之內瓦解,還可以將這些非固體型態的金屬裝在透明小球中,現實生活中是否也能做到這些事情呢?

來自北卡羅萊納州大學的研究團隊已經知道有一種液態金屬,其性質使這群化學家可以把它像電影「魔鬼終結者2」裡面的T-1000一樣把玩,甚至做出這個暴力機器人的小型翻版。

這群化學家先是發現,只需要將極小的電流通到置於水中的鎵合金(原本在室溫下就是液態),就可以改變它的形狀。再經過三年的研究,他們終於知道這個特別的反應是怎麼回事:通電時,在鎵合金表面會形成一層氧化物,它會改變金屬與水之間的表面張力;一旦電壓移開,張力又會不著痕跡地消失,從大約每平方公尺50萬焦耳降到近乎零,這麼戲劇性的變化會造成許多電液動(electrohydrodinamic, EHD)現象。

參與這個題目的研究員之一,麥克爾迪奇(Michael Dickey)博士說,「這是我做過最有趣的科學工作,因為還沒有任何文獻解釋過這個現象」;「對一滴液體而言,有兩個主要的因素支配它的形狀和行為,重力和表面張力。如果我們可以控制表面張力,那麼就可以控制液體的形狀。」博士說,控制液態金屬的形狀,能夠有很廣的應用,例如可以控制在特定時間將電路變形,去執行不同的任務、相機和望遠鏡中的鏡片可以變形以調整焦距,甚至更久之後在其他材料上會發現類似的技術。

鎵合金的氧化表層在空氣中太堅硬,若不放在水中沒辦法有相同效果,不過研究人員相信,可以找到其他材料,在不同環境中也能產生類似效果。

請不要期待馬上就能看到T-1000大軍從你家門前經過(或滑過或飛馳過)。在鎵合金中,這個現象目前只可能發生在很小的尺度中,因為一旦包含太多質量,重力的影響就會取代張力,使整個系統崩塌。

液態金屬(liquid metal)原本泛稱在特定條件下,型態如液體(非結晶結構)的金屬,不過有一家利用此技術開發產品的公司正以此為名 — 「液態金屬科技公司(Liquidmental Technology Inc.)」使用鋯、鈦、銅、鎳、鈹做出的「液態金屬 LM001B 型合金(Liquidmental LM001B alloy)」,加熱後會形成非結晶結構很容易塑形,冷卻後又會自然結晶而定型。利用 LM001B 製造的產品具有強度高、不易磨損、不易腐蝕等特性,已經被應用於製造例如飛機的副翼、外科手術用具、刀刃、手錶等,很快地還會用來製造更輕薄又堅固的手機和平板(或阿廣的微型機器人?)。

參考資料:

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Zobot
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PanSci 實習編輯 | 主修大氣科學。喜歡弄文字、玩音樂。傾向自然,不管是拿來讀的那種,渾身散發出來的那種,還是可以去野餐的那種。

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CO2 不是廢物!以嶄新材料推進人造光合作用——林麗瓊專訪
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/03/22 ・5496字 ・閱讀時間約 11 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

  • 2017 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十屆傑出獎得主

在辛亥路側的臺灣大學凝態科學研究中心,曾為中心主任的林麗瓊帶著我們上上下下好幾層樓,如數家珍地說明各設備的能耐,以及學生要如何經過她紮實訓練跟親自審查才能上機。「還有好多,今天沒時間看」,站在她稱為「起家本」的第一台自製反應爐旁,她說當年太貪心,加了多個 Port,增加了殘餘氣體吸附而使樣品被污染的風險。然而這台由她自己設計、自己到工廠請人開模製作的機器,在她細心調教跟利用下,創造了許多研究突破。我們請林麗瓊與這座別具意義的反應爐一起合照,她則邀請在旁的學生 Suman 一起入鏡。

來自伊朗的 Suman 她選擇來台灣學習,一方面是因為台灣是個很安全的地方,另一方面就是因為林教授是很棒的楷模。「那你會在台灣待到什麼時候?」我問,她回說「這要看我什麼時候拿到博士學位。」「那就是要看林教授囉?」「不是,是要看她自己何時取得足夠的進展。」林麗瓊笑著說這句話,也透露出她指導學生的方法:不由上而下決定主題,讓學生自由探索、從好奇心出發。

回到辦公室,林麗瓊從玻璃櫃中拿出一幅裱框的照片,裡頭是朵特別的玫瑰。「本來該長成平的、漂漂亮亮的磊晶,結果長成一朵花。」

林麗瓊教授與我們分享學生的作品——〈Formosa Nano-Rose〉

拿著學生的「作品」,她笑說通常學生若做出這樣的磊晶應該要挨罵才對,然而學生發揮想像力,將奈米尺度的不規則形狀染上玫瑰紅,參加美國材料學會(Materials Research Society)年度的科學即藝術(Science as Art)競賽,拿到首獎,還有外國人寄信來,希望能取得圖片,用來求婚。

在林麗瓊經營帶領下,聚集多國、多領域人才的研究團隊看似和樂輕鬆,其實他們正探索一個可能改變人類未來的終極領域:光觸媒。

光觸媒的莫大潛力

如果要列出如今人類面對的最大挑戰,抑制二氧化碳排放、讓空氣中的二氧化碳量回到 350 ppm 的安全水平以下,不讓氣候危機加劇,肯定是其一。(順帶一提:2021 年 的 1 月是 413 ppm 上下。來源) 

就算逐步淘汰煤炭跟天然氣,改成再生能源發電,我們的生活依舊仰賴大量的石油化學產品,大氣跟海洋中依然有過量的 CO2,種樹也難趕上森林被砍伐跟遭野火肆虐的速度。然而林麗瓊另闢蹊徑,從拿手的材料科學著手,正研究如何將二氧化碳還原成低碳氫比燃料,關鍵就在於高效能的光觸媒。

這當然不是林麗瓊一開始就研究的主題。她於 1989 年取得哈佛大學應用物理博士學位後,馬上被美國奇異公司研發總部材料研究中心延攬為終生聘雇研究員,也是當時該研究中心唯一的亞裔女性。那時她加入的團隊裡有物理學家、化學家、電子電機工程師等,研究的主題從飛機引擎到核能電廠五花八門,例如他們開發新型飛機引擎的材料跟設計,讓飛行速度更快、更省燃料。

1994 年回台後,她返台主持凝態中心的尖端材料實驗室。「一開始做鑽石薄膜,後來做奈米碳管、奈米線、石墨烯。」開發這些碳基的低維度奈米材料,並使其展現出新奇特性是她的拿手絕活。既然現在二氧化碳成了眾矢之的,那就換個角度,把它從廢物變寶物吧!

「如果只是要把二氧化碳轉化成低碳氫比的燃料,或是高工業價值的原物料,方式不只有光觸媒,用電催化也可以。」林麗瓊表示電催化成熟度比光催化高,發展歷史久,但是腐蝕容易造成污染,而且 CO2 與水的溶解度低、需要額外耗電,因此不見得是最佳選項。若採用光觸媒,只要將工廠的排氣經過導管收集,將 CO2 分離,進入可以接受光照的反應爐,搭配適當的材料(如金屬氧化物),就能產生光催化效應,把 CO2 變成甲醇、甲烷、乙醇、乙烷、乙醛等。

「關鍵步驟就是那個材料的觸媒,它的催化功能性要夠,那怎樣功能性才會夠?這就有我們做材料的人可以玩的空間。」林麗瓊表示這樣的材料須具備半導體特性,也就是其特有的「能待結構」或「能階」,能接受光子的能量而激發,同時「能隙」不能太大也不能太小。目前已經商用的材料為二氧化鈦(TiO2),然而其吸收光需要 3.2-3.4 電子伏特(eV)的能量,也就是得用波長很短的紫外光,限制了發展。 因此她將重點放在找尋能夠吸收可見光的材料與最佳結構,提升轉化效率。「可能是1.7、1.8(eV)是最好的……就同樣一個材料,它本質可能是 1.5 eV,但位置不對,所以我們就想辦法做一些缺陷工程啊、做一些參雜、複合的結構。」

這樣的材料在吸光後會產生電子電洞對,林麗瓊生動地形容「要活活的」,才能跟二氧化碳與水起反應。意思是說這材料得身兼多職,先吸可見光、然後拆解電子電洞對,傳達到表面後,能接著活化其實很穩定的二氧化碳,再加上水氣才有可能轉化成甲醇等產物。即使是同一個氧化亞銅,他們也發現邊邊角角的活性才高,「所以就有辦法跟 CO2 招手,黏住又不能太黏喔!太黏 CO2 不跑啦!就把活性點通通給蓋住蓋死了。」

為了讓二氧化碳若即若離、欲迎還拒的戲碼能在奈米尺度上演,身為導演兼製作人的林麗瓊與團隊花了大把工夫選角(材料),如今已獲得初步的成果。

「在產量上,雖然還不是很高,但是有機會到 1% 了。假以時日,push 到 10%,應該是有機會」。她表示儘管還需要很多努力,而且後續也還有產物選擇性與分離的課題,但一關一關解,就能將二氧化碳變成原物料,邁向循環經濟「零廢物」的目標。

林麗瓊表示反應過程中的產物分析、以及反應控制的關鍵機制需要徹底釐清,才能知道到底材料的「什麼」在做出貢獻,例如是形狀、是位置、是大小、還是其他性質?她用各種技術來監測,將這過程比喻為「盲人摸象」,得一片一片摸熟了才能前進。雖然離製程成熟跟產業化還有很長的路,她發現這個領域受關注跟投入的程度在全球都大大提升,從她剛開始時一年不超過 50 篇研究,到現在每年破千篇。

從半導體、光電、能源材料、奈米薄膜到光觸媒,研究範圍廣泛的林麗瓊笑稱自己喜新厭舊又隨性,但萬變不離其宗:「我們就是玩材料的,我們玩得很開心啊!」

Welcome to the jungle 

外表溫和沈著、說話總是體貼地再三確認我們能否理解的林麗瓊,得過台灣與世界各國的獎項,也曾被選為美國材料學會董事會成員,曾任眾多知名學術期刊、專書的編輯與學術會議的主席,成就非凡。然而正如她研究的光觸媒,對於許多學生來說,她也是一位如光般賦予能量、催化著他們的觸媒。

林麗瓊坦言自己「鍛鍊很久」,努力學習理解各種關係必然遇到障礙,有時轉個彎就撥雲見日的道理。她不會給剛進門下的學生太明確、太細節的題目,而是讓他們先朝一個方向探索看看,約略三個月後再請他們提出 Proposal,她就在這段時間內觀察新學生與其他同學的互動,了解其性格,能力,再依此給出建議。

她將自己在美國奇異公司研發總部任職時學到的團隊合作方式,帶入自己的實驗室。「有的人性格像獅子、有的像兔子。但不能都一直是獅子或兔子」她順著學生的性格,鼓勵其發揮,但也鼓勵他們學習彼此的優點,懂得變換。

她說有些學生活動力很強,坐不住,沒辦法一直待在機器前;反過來有些學生開工之後,一天不去開機就覺得不舒服,連機器壞了也不肯停。但就是這樣不同的性格,獲得了意想不到的發現。雖然有時會建議學生互相合作,但她的安排也不一定成功,反而是讓資深的、主導性強的學生們發展、組隊,結果更好。她則透過每週定期的 Group meeting 發揮觸媒的作用,激發團隊成長。「我關心他們怎麼發展,可是絕對不強迫。有點黏又不會太黏。」她微笑說。

是傑出科技人,也是女人

2017 年得到第十屆「臺灣傑出女科學家獎」時的林麗瓊,已得過科技部傑出獎、教育部學術獎與國際上的諸多不分性別的榮譽,對於冠在科學家獎前的「女」字,很高興能獲得肯定,也自覺要承擔更多責任。然而在 30 年前,類似的經歷曾經困擾過她。

當她被奇異聘為終生職研究員時,她在哈佛的一位韓國同學則失之交臂,扼腕地對她說「都是因為妳是女生啦。」林麗瓊覺得自己夠認真、夠努力,當然有資格加入頂尖的企業。但反過來說,那位韓國同學也很認真、很努力,所以……是臨場表現有差別?還是真的因為她是女性而成了保障名額?

「不瞞你說,這的確是很矛盾、很複雜的一種心理。」她說:「如果只是因為我是女生,這個對我很傷啊!是不是?」後來在物理學會女性工作小組內討論這種「肯定」時,她漸漸想通,認為即使有這種可能,她也要勇敢去爭取,放下不舒服的感覺,不要覺得自己是被憐憫、被施予,而是要當第一個衝破現況者,別人才有機會跟上。

「有一些東西是非常根深蒂固的,男生女生都是這個文化的受害者。」她分享自己剛加入奇異公司的一段經歷:當時懷第二胎的她,發現好幾個月都沒有被分配到任務,也沒有被安排出差到工廠幫現場面臨的挑戰找題目。於是她鼓起勇氣去問經理,經理反而愣住,回答說就是因為知道她懷第二胎,家裡還有一個兩歲孩子,怎麼能讓她做這些又累又辛苦的事?

這樣的善意跟體貼,若說是歧視,林麗瓊認為就太重了,但結果卻幽微地害她投閒置散。於是她向經理明確表示自己先生非常支持,而且有保母能照顧小孩,承接任務沒有問題,才改變了這種不利自己發展的狀況。

「我自己覺得物理並沒有性別的問題,覺得好玩又可以發揮,學科本身不會阻擋女生。那是我們的環境嗎?還是什麼?」物理學界的女性比例「是可怕的低」,林麗瓊說大學部其實有 20-30% 是女生,研究所也可能還能維持 10-20%,但到教職就不到 5%。她認為這個現象不能簡單歸因,需要抽絲剝繭。舉例來說,由於她與先生(陳貴賢,中研院原子與分子科學研究所研究員)密切合作,剛回國任教提交計畫書審查時,曾被問「貢獻到底在哪裡?」但同樣的問題,她先生卻不會被問。她認為審查者不見得有意打壓,而是文化養成的習慣。要讓其他人知道自己有真功夫,需要一段不短的時間,她已十年沒被這樣問了,但的確成了女生額外要處理的。

得獎後,她參與台灣萊雅與吳健雄學術基金會合辦的高中女性科學教育巡訪計畫,每年都與許多年輕學生面對面交流,座談時間常互動熱烈到讓她趕不上搭車時間。透過這個獎跟活動,能讓許多學生有個學習楷模,提出心中的問題,幫她們去除刻板印象,其實讓她備感欣慰。她甚至因此收了高中生來實驗室實習,但她強調來的高中生得要「玩」、藉實習想像未來的生活,而不是為參加科展得名而來。

對林麗瓊來說,大她四屆,同樣就讀臺大物理系的四姐是最接近的楷模,也因此她學習科學一路以來備受鼓勵而沒受阻礙。另外,曾返台演講的吳健雄則是她朝聖的偶像,曾親睹吳健雄在新竹演講風采的她說自己非常震撼。後來與自己的大哥討論該不該朝物理學邁進時,大哥對她說「吳健雄不就是物理學家嗎?為什麼不呢?」她也因此非常感激。

她給予學生的力量,也承襲自她在哈佛的指導教授 Frans Spaepen。她記得在考慮該留在哈佛做博後,還是去產業界資源豐沛的實驗室時,Spaepen 教授對林麗瓊說,若她能留下來當博後,他會很高興,但不必將哈佛當作第一或是唯一的選擇,該把握機會到外頭更大的世界看看。這番話讓她至今銘記於心,也一直將這種「不為自己設限」的理念傳達給每一位學生。

「你覺得你的興趣在哪、你的才能在哪,就走走看,不要劃地自限。刻板印象是別人的刻板印象,若連自己都有刻板印象,當然就沒救。」身為物理學界的頂尖女性科學家,林麗瓊參與、籌辦了不少推動女性加入科研領域的工作,例如與物理學會女性工作委員會籌拍《物理好丰采》影片,協助成立臺灣女科技人學會等。她說,每個人有各自的問題,但有些問題有共通性,就該以團體的名義來爭取。

例如她參與的物理學會女性工作委員會曾以團體名義向國科會提案,讓有生產事實的女性研究者在提出研究計畫時,可以將過去七年內的發表成果納入,而不是原本的五年,否則女性研究者很容易因為生兒育女放慢進度而被系統性地歧視、或是擔心可能耽誤發展而乾脆不生育。

林麗瓊認為自己沒有天花板,但她不能代表所有女性研究者,因此「如果有需要去衝破的,一起去衝破吧。」她說。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

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沒看過打不壞的木製球棒?最新「加工法」讓木材硬度堪比金屬!
Rock Sun
・2021/11/19 ・2152字 ・閱讀時間約 4 分鐘

如果今天你想要好好的切食物,該用什麼樣的刀呢?

大家馬上想到的,應該不外乎就是金屬或是陶瓷吧?自古以來要製作工具,這兩個材料一定是首選,直到當代貪圖方便而使用的塑膠刀叉之外,好像想找不太到其他更好的替代方案了。

但是最近,有一群研究人員打破了大眾的想法和材料科學的界線——用木頭製作的刀來取代金屬。

10 月 20 號,這一群來自馬里蘭大學的材料科學家們在期刊《Matter》上發表了一種全新的加工方法,可以把跟木材大幅強化,製作成餐刀等工具。這把刀的硬度不只跟一般的牛排刀不相上下,可以輕鬆地切開 8 分熟的牛排,還可以多次使用、洗滌、有效的回收再利用,整個產品製造過程的能源消耗也比金屬或陶瓷低非常的多,有望在未來取代這類餐具。

經過最新加工方法製成的木材,所製作出的餐刀可比不鏽鋼材質的更加鋒利。圖/Pixabay

比金屬和陶瓷更環保的選擇:木材

當你環顧生活周遭需要以「堅硬」為訴求的材料,你會發現它們大部分都是人造或經過加工的,因為想製作堅硬的物品,最怕的就是整個物理結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵,只要有以上任何一種,工具的耐久度就無法維持多久,然而天然材料通常都有這種缺陷,例如木頭內部會有中空導管,石頭內則會有導致它容易剝落或裂開的天然紋理。

所以物質多半都都需要經過高溫冶煉才能夠成為堅硬的材料,例如光是製造陶瓷,就需要將陶土加熱到幾千度的高溫,而在這個講求環保的時代,有時候又要考慮產品的碳足跡……不用說,從地球土壤中開採鐵礦和陶土所耗費的能源,絕對與使用天然材質相對多很多。

所以這群研究人員把腦筋動到了陪伴原始人類到現在、樸實無華的木頭身上,他們覺得人類還沒發揮木頭 100% 的能力。

一般的木材在結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵,無法加工成非常堅硬的工具。圖/Pixabay

請給我木材!人類尚未 100% 發揮它

好幾千年來,人類就不斷地想在木頭身上動手腳,但是在工具和建築上,木頭的加工通常只限於蒸氣曲木和壓縮法,用這種方法處理的木頭都會有個問題,在一段時間過後,木頭本身會有些許的回彈(定型)。

要知道為什麼就得先了解木頭!

木頭最主要的成分是纖維素,雖然平常可能無感,但纖維素其實有相當高的強度與密度比,表面上看起來是一個輕量又堅固的超理想材質,只看數字的話,甚至凌駕於大部分的高密度建築材料如水泥、金屬等等。但是我們目前加工木頭的方式,都無法把木材的材料潛力發揮到極致,部分是因為纖維素其實只佔了木材的 50%,除此之外還包含半纖維素、木質素等物質,這些聚合物主要是作為介質,而非提供強度,但如果將這些東西去除掉,整個木頭結構會變得容易崩壞。

所以研究團隊找到了方法,移除木頭內比較脆弱的物質,但是仍保留纖維素的結構,這個技術可以把原本木材的硬度整整強化 23 倍,並打造出比不銹鋼刀還鋒利 3 倍的餐刀。

蒸氣曲木加工法,將木材放在充滿蒸氣的箱子內彎曲,能加工出優美的弧線。圖/WIKIPEDIA

兩步驟加工:讓「普通木材」變「超硬木材」

第一步是將木頭浸泡在添加了特定化學物質的水中,並加熱到攝氏 100 度,以去除部分木質素。失去木質素的木材會變得較為柔軟、具有彈性甚至還會黏稠;以往的木材加工通常不會將這個方法用在木材上,除了如上述提到的結構問題外,還會有使用溶劑的毒性問題,但研究人員研發出了毒性較低、還能重複使用的溶劑。

第二步是對木頭進行高溫加壓,去除水分並讓其材質更為緻密,確保不會有結構上的缺陷,連樹木中原本被導管佔用的空間都能夠去除。

藉由這兩個步驟,他們有辦法去除木頭原本的結構問題,而經過這樣處理後的木頭還可以裁切成想要的形狀,然後再塗抹礦物油延長壽命、也隔絕水分讓纖維素不要再吸水,以免洗滌餐具降低刀子的鋒利程度。

將木材加工為「超硬木材」的實驗步驟。圖/參考資料 1

木材應用百百種!「五金材料」的新未來?

同樣的手法可以用來製作其他工具,例如和金屬釘子一樣堅硬的木頭釘子,一樣可以釘穿 3 塊木板,但是好處是木頭釘子不會有生鏽的問題,除了釘子之外,還有很多東西可以用這種木頭材質製作,例如更耐用的木頭地板。

儘管目前這個技術的使用還只是存在於實驗室環境中,但是不可否認的是,我們還沒有發揮木頭百分之百的實力,只要這個技術成熟,加上樹木可以種植並回收的特性,在未來每個人都可以分配到的超級強化木材資源或許可以凌駕於金屬,或只是打造出打不壞的木製球棒、堅不可摧的小木屋、輕量化的木頭汽車和飛機、或者是一把堪比鋼刀的超強木刀。

阿銀,你的木刀原來是這麼來的啊 ?

參考資料

2021,《Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic

Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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冷鏈成本太高?遞送小鼠「冷凍精子」的最佳解出爐:現在寄張明信片就搞定!
Carol
・2021/09/05 ・4645字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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在古代有飛鴿傳書,在霍格華茲裡更有貓頭鷹負責寄送會發出聲響的信件。信件不僅是文字、訊息往來的方式,現今更可直接作為生物材料的寄送媒介。研究團隊發現,經冷凍乾燥處理的小鼠精子,可於沒有液態氮的環境中妥善保存,並且在室溫下帶於普通郵件中寄送。

放置於普通郵件小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

傳統保存方式:充滿液態氮的超低溫環境

典型保存精子的方式,是將精子保存於液態氮或乾冰中,極低溫的環境可讓精子處於冷凍的狀態下進行運送。待解凍之後,會再透過人工授精或是試管外(in vitro)授精來繁衍後代[2][3] 。然而,使用液態氮仍可能會產生一些問題,例如,在 196℃ 超低溫度下,進行樣本處理需要非常小心,因為液態氮可能會造成凍傷或是並且因飽和氣體造成窒息等問題,並且在部分國家及地區也可能有難以取得液態氮的問題。

除此之外,為了要讓小鼠精子一直維持在極低溫的環境,需不斷地補充液態氮,這也會造成昂貴的花費。因此,對於部分國家的研究機構來說,這樣難以保存小鼠基因來源。更不用說,若遇到停電、大災難等突發狀況可能會導致的極低溫的環境受到影響,小鼠精子解融、退冰,並導致精子無法使用。

液態氮,可以創造極低溫的環境,操作過程需小心。圖/ThoughtCo.

玻璃安瓿保存法很讚,但仍不適合長期保存

為了解決低溫環境難以控制的問題,日本山梨大學(University of Yamanashi)生殖生物學家 Daiyu Ito 的研究團隊發展出一項技術,將小鼠精子放入細頸瓶或玻璃安瓿(Ampoules,一種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。)並置於 4℃ 的環境中三個月,然後再放置於室溫中 1 個月。經過冷凍乾燥處理,可放置於室溫環境中一年。雖然經過處理後的小鼠精子已死亡,無法移動,但精子中的 DNA 仍然維持完整性[4]

爾後,再將這些冷凍乾燥後的小鼠精子在注射入卵子時,一樣能繁衍出正常的後代。這項冷凍乾燥的技術已運用與許多物種,例如實驗小鼠、倉鼠、兔子、馬以及綿羊等物種[5]。然而,使用玻璃安瓿仍有一些缺點。Daiyu Ito 說:「雖然玻璃安瓿的體積小,但它們相當笨重且易碎,容易影響小鼠後代的繁衍。所以將小鼠精子儲存在玻璃安瓿並不適合用來長期保存。因此,我們希望發展新的保存技術。」

圖為玻璃安瓿(Ampoules),為種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。圖/ISDIN

紙類保存凍乾精子有搞頭,但哪種材質最適合?

為了找出最適合用於保存冷凍乾燥的小鼠精子(mouse FD spermatozoa)的材料,研究團隊檢測了六種材質,分別是:日式傳統和紙(Washi)、包裝紙(Wrap)、乙烯基板(Vinyl sheet)、秤量紙(Weighing paper)、過濾紙(Filter paper)、日式糖果紙(Oblate)。

首先,過濾紙(Filter paper)是不可以使用的,因為小鼠精子容易卡在紙上,並且在解凍時無法順利取出精子。日式糖果紙(Oblate)也被認為無法作為保存材料,原先認為當日式糖果紙全部溶解於水中,就可以輕易地將冷凍乾燥的精子取出。然而,實際試驗後才發現,日式糖果紙溶解時仍會有部分殘餘物,導致難以收集小鼠精子。此外,其餘的四種材料雖然可用於收集小鼠精子,但仍有一些小缺點,例如:包裝紙太容易撕破,乙烯基板則在乾燥的過程中容易損失精子。

相對來說,日式傳統和紙是個較好的材料,但是在於脫水後的恢復過程中容易汙染,使得收集小鼠精子會遇到困難。秤量紙相較於乙烯基板較薄,但比包裝紙還要硬,是可作為小鼠精子乾燥過程的材料。因此,在此六種材料中,秤量紙是最適合用來處理小鼠精子的。

且經實驗發現,無倫是保存在玻璃安瓿或四種材料(傳統和紙、包裝紙、乙烯基板及秤量紙)的冷凍乾燥小鼠精子,其精子受精率(fertilization rates)沒有顯著差異。然而,在胚胎的發展成桑葚胚(morulae)或囊胚(blastocyst)的比率,最高的是以秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子。

使胚胎妥善的發育的比率,是作為小鼠精子是否有成功保存最重要指標,而在四種材料中,使用秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子其後代存活率數值為 21%,後代存活比率數值最高。考量到精子發育的程度,以及材料操作容易程度,最後採用秤量紙包裝冷凍乾燥精子,並用塑膠片作為分隔是最適合的選項。

上圖 A 為玻璃安瓿及用四種不同材質的紙保存的冷凍乾燥精子。下圖 D 為細胞質內精子注射(intracytoplasmic sperm injection, ICSI)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
 圖 G,小鼠精子的受精率,玻璃安瓿及使用四種材料包裝小鼠精子的售經比率相差不大。
圖 H,受精卵發育成桑葚胚(Morula)或囊胚(Blastocyst)的比率[註1]。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

塑膠片會影響精子的DNA完整度嗎?

為進一步了解使用塑膠片保存精子是否會影響精子內的 DNA,研究團隊藉由彗星分析法(comet assay),來比較玻璃安瓿和塑膠片的精子中 DNA 的完整性。彗星分析法可用來檢測單細胞中 DNA 的損害程度,若 DNA 有損害,其結構會較為鬆散,斷裂或破碎的 DNA 片段會在進行電泳(gel)時被拖出細胞,在顯微鏡之下會呈現出一個類似彗星的形狀。不同程度的 DNA 損傷則會造成拖尾程度的差異,至於未損傷的 DNA 則會保持球狀。

從觀察結果得知,保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA,其彗星尾相較保存於塑膠片的小鼠精子 DNA 慧星尾長度稍短一些,不過,就統計結果而言,兩者之間有顯著差異。

但另方面,在小鼠精子進行細胞質內精子注射(ICSI)之後,藉由使用 γ-H2Ax 染色來比較玻璃安瓿和塑膠片的雄原核(male pronucleus)中 DNA 損壞程度,結果卻發現,相較於保存在塑膠片的小鼠精子,保存於玻璃安瓿的小鼠精子經 γ-H2Ax 染色後,其雄原核[註2]有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。

綜合上述,保存於塑膠片中的小鼠精子 DNA 完整度,與保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA 完整度,是可以相比擬的。

圖 J 為保存於玻璃安瓿小鼠精子 DNA,圖 K 為保存於塑膠片的小鼠精子 DNA。可發現圖 J 的DNA 其彗星尾較短。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
圖 M 為保存於玻璃安瓿小鼠精子,其雄原核有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

如何製備冷凍乾燥的小鼠精子?

小鼠精子經過預先培養之後,會秤量紙作為載體,將含有精子的溶液滴定於秤量紙上。將鋁箔紙摺出一個凹槽,依序放入裁切好的塑膠片及帶有小鼠精子的秤量紙,然後將整包鋁箔包放入保麗龍盒,最後在保麗龍盒內加入液態氮。

接下來,將冷凍的精子溶液乾燥,乾燥之後的冷凍小鼠精子會呈現粉末的狀態。然後,將冷凍乾燥後的小鼠精子取出,並用兩張秤量紙包裝,最後放在塑膠片上並用膠水將其密封起來。待需要使用時,再用剪刀將塑膠片剪出一個缺口,並用鑷子取出小鼠精子,最後再用水回溶精子。

小鼠精子的冷凍階段,依序各種材料放入保麗龍盒中,最後再加入液態氮,將小鼠精子懸浮液冷凍 10 分鐘。
(①Pipet chip,定量吸管,用來吸取小鼠精子溶液。②Sperm suspension,小鼠精子的懸浮液。③Material,用來作為小鼠精子溶液載體的各種材質,此處為秤量紙。④Plastic sheet,塑膠片。⑤Aluminum boat,鋁箔紙船)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
冷凍小鼠精子的乾燥、密封及使用階段。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

凍乾的小鼠精子,可在室溫下藉由明信片運輸

雖然相較於保存在 -30℃ 的環境,冷凍乾燥(freeze-dried,FD)的小鼠精子保存在室溫環境下三天,其後代存活率較差,但仍可繁衍出後代。利用塑膠片保存的小鼠精子可以夾帶在明信片中,並放置於 -30℃ 的環境。待到要寄信的那天,可直接利用普通郵件的方式寄送,不需額外的保護措施。而收到郵件後,只需再將小鼠精子放回 -30℃ 的環境即可。

研究團隊曾使用此方式,將冷凍乾燥後的小鼠精子從東京大學寄至山梨大學,兩校之間的距離約為 200 km,並且郵件會在 2 天之內寄達。而這些冷凍乾燥的小鼠精子也能順利進行胚胎發育。因此,冷凍乾燥的小鼠精子,是可在沒有其他保護措施之下,在室溫下藉由明信片寄送。

將數千個小鼠品系的精子片保存於一個卡片夾,進而可以製作成一本“精子書”。這種方法很容易運輸及處理,並且可以降低了保存失敗的風險、成本以及空間要求。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
上圖為新年賀卡,賀卡上還夾帶冷凍乾燥後的小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

使用信件運輸小鼠精子的優缺點

Daiyu Ito 說:「遺傳資源對於人類未來而言,是個重要資產。即使有許多遺傳特徵可能已不適用於生存,但這些遺傳資源可能有利於某些物種在環境變遷或未知疾病擴散時存活下來。」哺乳類動精子保存,有利於不孕、維持品系中修飾過的基因序列。這個使用塑膠片夾帶小鼠精子的方式,可以方便保存數千種的小鼠品系(strain),除了有利於實驗室及研究機構間的合作往來,更可以促進生殖技術及科技的發展。

然而,使用如此方便及簡易的運送方式可能會造成許多不合法的運輸過程發生,因此需有更完善的法規制度來審查及保護動物精子的運輸。

 科技技術的發達,使得小鼠精子可藉由郵件寄送的方式從 A 實驗室寄送至 B 實驗室。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

註解

  1. 受精卵會在 24 小時分裂成 2 細胞,約 48 小時分裂成 4 細胞,約 72 小時分裂成 6~8 細胞,並在約 96 小時分裂成桑葚胚(Morula);之後才會形成囊胚(Blastocyst)。
  2. 雄原核,指的是在受精之後,精核進入卵子內,但尚未於雌原核(female pronucleus)融合。

參考資料

  1. Ito, D., Wakayama, S., Emura, R., Ooga, M., & Wakayama, T. (2021). Mailing viable mouse freeze-dried spermatozoa on postcards. iScience, 102815.
  2. Benson, J. D., Woods, E. J., Walters, E. M., & Critser, J. K. (2012). The cryobiology of spermatozoa. Theriogenology78(8), 1682-1699.
  3. Sztein, J. M., Takeo, T., & Nakagata, N. (2018). History of cryobiology, with special emphasis in evolution of mouse sperm cryopreservation. Cryobiology82, 57-63.
  4. Wakayama, S., Kamada, Y., Yamanaka, K., Kohda, T., Suzuki, H., Shimazu, T., … & Wakayama, T. (2017). Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months. Proceedings of the National Academy of Sciences114(23), 5988-5993.
  5. Choi, Y. H., Varner, D. D., Love, C. C., Hartman, D. L., & Hinrichs, K. (2011). Production of live foals via intracytoplasmic injection of lyophilized sperm and sperm extract in the horse. Reproduction142(4), 529.
Carol
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