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基於質子的電晶體能使機器與生物溝通

only-perception
・2011/09/23 ・1136字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 581 ・九年級

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人類裝置,從燈泡到 iPods,利用電子傳送資訊。在另一方面,人體與其他生物(living things,活物),利用離子或質子傳送訊號與完成工作。

在華盛頓大學的材料科學家打造出一種新奇的、使用質子的電晶體,為能與生物直接溝通的裝置創造出關鍵的一部份。這項研究本週發表在跨學科期刊,Nature Communications,的線上版。

為了生物感應器或義肢學(prosthetics),與人體過程(processes)連結的裝置正被探索中,不過它們通常利用電子溝通,那是帶負電的粒子,與質子(帶正電荷的氫原子)或離子(帶正電荷或負電荷的原子)有所不同。

“所以在界面上,這個問題一直都是一種挑戰:電子訊號如何轉譯成離子訊號,反之亦然?” 第一作者 Marco Rolandi 表示,UW 材料科學與工程助教授。”我們發現一種生物材料,那非常善於傳導質子,且有機會成為與活體系統(living system)之間的界面。”

在體內,質子活化「on」以及「off」開關,而且是生物能量傳遞中的關鍵角色。離子開啟與關閉細胞膜中的通道,以便將東西泵出或泵入細胞。包括人類在內的動物,利用離子放鬆牠們的肌肉以及傳輸腦部訊號。一部與活體系統相容的機器,在這種情況下,簡單的說,能監控這種過程。有朝一日那還能夠產生質子流(proton current)以直接控制某些功能。

朝向這類型控制的第一步是一種電晶體,那能夠送出質子流的脈衝。這款原型裝置是一個場效應電晶體,是一種基本的電晶體類型,那包含一個質子流的閘極(gate)、汲極(drain)與源極(source)終端。在這類使用質子的裝置中,這個 UW 原型是第一個。它量起來約 5 微米寬,大約是人類頭髮寬度的二十分之一。

“在我們的裝置中,大型生物啟發分子(large bioinspired molecules)能移動質子,且質子流被開啟或關閉的情況,可完全類比其他場效應電晶體中的電流,” Rolandi 說。

該裝置使用一種經過修飾的幾丁質(chitosan,甲聚醣),這種化合物原本萃取自魷魚鞘(squid pen,當魷魚有殼時會留下這種結構)。這種材料與生物相容、容易製造,而且能從食品業所廢棄的蟹殼與魷魚鞘回收。

第一作者 Chao Zhong(音譯:鍾超,UW 博士後研究者)與第二作者 Yingxin Deng(音譯:鄧迎新,UW 畢業生)發現,這種形態的幾丁質在搬移質子上格外優異。幾丁質會吸收水分並形成許多氫鍵;質子接著能從某個氫鍵跳躍至另一個。

由共同作者 M.P. Anantram(UW 電機工程教授)以及 Anita Fadavi Roudsari(加拿大 Waterloo 大學)所發展出來的電荷傳輸電腦模型與實驗結果非常相符。

“所以我們現在有一個與電子迴路相似的質子迴路,我們才剛開始了解,而非完整了解,” Rolandi 說。

Rolandi 表示,未來十年左右的應用很可能會是在實驗室內細胞的直接感測。目前的原型有個矽基底,而且無法用於人體中。然而,長期來看,一種生物相容的版本將能直接被植入到生物中以直接監測或甚至控制某些生物學過程。

資料來源:PHYSORG: Proton-based transistor could let machines communicate with living things [September 20, 2011]

轉載自 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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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用錯使用方法,漂白劑也會出人命?請注意,盡量不要「混搭」清潔劑!
阿咏_96
・2020/12/18 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

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今年八月時,有新聞指出,一位英國女子西摩(Leah Seymour)在打掃浴室時,將馬桶清潔劑與漂白劑混合一起使用,幾分鐘後出現強烈氣味,導致她氣喘發作,失去意識,送醫後宣告不治身亡。

什麼!漂白劑不是我們生活中常用來消毒的好朋友嗎?到底發生了什麼事?漂白劑真的這麼危險嗎?以後是不是就別用了?

修但幾勒!

在恐慌蔓延之前,我們必須先來了解漂白劑究竟是何方神聖,又是如何作用的。

別只會唱愛情轉移,你知道電子轉移嗎?

我們日常使用的漂白劑,通常是透過氧化還原反應將顏色去除或變淡,除了漂白的功能之外,也可以用來消毒殺菌。

漂白水是我們消毒環境、清洗衣物的好幫手。圖/Pixabay

氧化還原反應指的是過程中發生電子轉移的化學反應,例如以下這個鎂和氧化銅的反應式: 

Mg+CuO → MgO+Cu

我們可以把 鎂 Mg 想像成是一位財大氣粗的火爆小子,而 銅 Cu 是個性溫和的好好先生,有天他們倆相遇了,鎂對銅表示想買下他的情人 氧 O,急躁的鎂不管銅的意見,就把錢(也就是電子)付給他,同時也把氧搶走了,於是鎂就把氧佔為己有,而銅得到了錢財,變回孤身一人。

在氧化還原反應裡,不同角色有各自的稱呼和招式,把電子付給別人的火爆小子稱為「還原劑」,招式為「還原」,讓別人變回孤身一人;得到電子的好好先生為「氧化劑」,招式為「氧化」。

大家不妨猜猜看,圖中的 H 和 F 之間,誰是火爆小子,誰又是好好先生呢?圖/Wikipedia

然而,好好先生與火爆小子的身份並非永遠不變,也就是說「沒有最火爆,只有更火爆」,未來當鎂遇到比他更財大氣粗的人時,手上的氧也會被「買」走,而銅遇到比他更溫和的人時,也可能會買別人的氧。

而這種急躁又霸道的性格,稱之為「活性」,也就是說活性越大的元素,性質越活潑,越急著把錢(電子)塞到別人手裡、買走氧,不過,他們把氧買走後,就會「浪子回頭」,個性變得比較收斂,性質更為安定。

拿~麼厲害!漂白劑原來是轉移高手

接著回到故事主線,漂白劑的種類可以依據在漂白過程發生的氧化還原反應中擔任的角色來區分:若在反應裡擔任氧化劑者,稱為「氧化型漂白劑」;若擔任還原劑者,稱為「還原型漂白劑」。

平時我們較常接觸到的是氧化型漂白劑,而氧化型漂白劑通常可以再分為兩類:氯系漂白劑氧系漂白劑

你用的是氯系,還是氧系漂白劑呢?圖/Wikipedia

這邊即將登場的是:氯系漂白劑

氯系漂白劑含有次氯酸鈉(NaClO),溶在水中會解離成次氯酸離子(ClO)和鈉離子(Na+),當次氯酸離子(ClO)與水反應後,會轉變為弱酸性的次氯酸(HClO),但鈉離子(Na+)與水反應後,會變成強鹼性的氫氧化納(NaOH),因此使水溶液變成弱鹼性。

次氯酸(HClO)就是典型的好好先生,很容易得到其他物質的電子,也就說能夠氧化許多的物質,透過氧化就可以破壞細菌的細胞機能,最後導致細菌死亡。而漂白的功能也是因為氧化了含有顏色的化合物而造成褪色。

不過,漂白水的原液只含微量 HClO 分子,加水稀釋後 HClO 的比例會提高,此時才具有比較好的消毒殺菌效果。

什麼?跟清潔劑一起用ㄟ出代誌?!

然而,如果以不正確的方式使用氯系漂白劑,可能會對我們的健康造成危害!

使用漂白水的時候,有些人會加上「比較好聞」的清潔劑,或是跟其他強效清潔劑混合,希望可以藉此達到更好的清潔效果。

請小心!如果將漂白水和其他清潔劑混合,很有可能產生危害人體的物質。

許多香精油、清潔劑中,都可能含有檸檬烯。圖/Pixabay

加拿大多倫多大學 2019 年的研究發現,當我們在室內環境使用氯漂白劑溶液時,容易釋放出氣態的次氯酸(HOCl)和氯氣(Cl2),由於兩者都是強氧化劑,因此它們會和清潔劑中的揮發性有機化合物——檸檬烯(limonene)產生反應。

檸檬烯是最豐富的揮發性有機化合物之一,許多我們的日常用品有它的存在,例如個人護理產品、清潔用品、空氣清新劑等。

檸檬烯本身是無毒的,在不同的室內條件下,檸檬烯可以與臭氧或其他氧化劑反應,生成顆粒,例如它和氫氧自由基可以快速進行反應。

他們觀察到,在室內日光燈或陽光的照射下,檸檬烯會與次氯酸、氯氣發生反應,並在室內產生大量的粒子,接著他們用氣膠儀質譜法(Aerosol mass spectrometry)分析這些粒子後,發現這些例子大部分都是含氯的顆粒,吸入身體後可能對肺功能或氣管造成負面的影響 4

光照之下,在透明的空氣中可能發生了許多你完全察覺不到的化學反應!圖/Pixabay

然而,我們也不能完全把責任都推給檸檬烯。

事實上,當氯漂白劑溶液釋放出次氯酸(HOCl)和氯氣(Cl2)後,在光的照射下註1,很容易被分解為氫氧自由基及氯原子,它們倆也是強氧化劑,可以與許多室內揮發性有機化合物反應,產生氯化物,甚至有助於形成二級有機氣溶膠(SOA),可能會危害人體的呼吸系統健康 5

雖然這些顆粒的成分、對健康的影響程度還需要進一步研究,但我們仍然可以知道,這些光解作用、氧化反應形成的產物,對人體健康具有一定的風險。

使用漂白劑前,三件最重要的小事

次氯酸鈉在我們的生活中扮演著重要的角色,游泳池、廁所乃至於免疫系統,都可以發現它的存在。

然而如同歌詞裡說「水能載舟,亦能煮粥」,次氯酸鈉帶來便利的同時,也伴隨著其他風險,為了避免更多因誤用而造成的悲劇,我們必須了解如何安全的使用漂白劑,以下為大家整理了和次氯酸鈉平安共處的 3 大守則!

  1. 禁止飲用與避免觸摸

次氯酸鈉之所以能「消毒殺菌」,是因為具有一定的生物毒性,如果誤飲可能會造成中毒,在使用次氯酸鈉進行清潔時,最好戴上口罩及手套,避免直接接觸喔!

請盡量戴上手套、口罩,避免與清潔劑零距離的接觸。圖/Unsplash
  1. 避開陽光及高溫

如同剛剛的研究提到,次氯酸鈉遇到光或熱會被分解成有毒的氯氣,因此平常不使用時要保存在陰涼處,也不要搭配熱水使用。

  1. 避免與清潔劑混合

除了上面提到的檸檬烯以外,其實清潔劑裡還含有其他物質,會跟次氯酸鈉反應生成氯氣或其他對人體有不良影響的化學物質。

即使上述這些注意事項看起來都是常識,卻非常容易被大家忽略!請大家務必謹慎、聰明地使用,才能讓我們在享受潔淨空間的同時,避免意外的發生!

註解

  1. 這項研究的實驗是在只有朝北窗戶的房間內進行的,他們推測窗戶接收陽光較多的房間會有更迅速的光解反應。

參考資料

  1. Wang, C., Collins, D. B., & Abbatt, J. P. (2019). Indoor illumination of terpenes and bleach emissions leads to particle formation and growth. Environmental Science & Technology, 53(20), 11792-11800.
  2. Yahoo新聞:「漂白水+清潔劑」刷浴室 她聞刺鼻味倒地……4天後亡
  3. 香港政府一站通:漂白水的使用
  4. Das, R., & Blanc, P. D. (1993). Chlorine gas exposure and the lung: a review. Toxicology and industrial health, 9(3), 439-455.
  5. Gaschen, A., Lang, D., Kalberer, M., Savi, M., Geiser, T., Gazdhar, A., … & Geiser, M. (2010). Cellular responses after exposure of lung cell cultures to secondary organic aerosol particles. Environmental science & technology, 44(4), 1424-1430.
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「負離子」真的有拿~麼厲害?——《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》
商周出版_96
・2020/10/15 ・2721字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

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  • 作者/陳瑋駿

「負離子」在商品化的過程中算是被徹底濫用了,負離子的走紅,完全可說是拜商業行銷所賜。

什麼是負離子呢?

跟「陰離子」差別又在哪?雖然本質上來說,負離子與陰離子原本應指一樣的事物,只是翻譯上的問題,但若以商品化的初衷,負離子往往被視為「帶有電子的空氣」。

雖然這並不是一個科學正確的名詞,不過為了接下來討論方便,我們先遷就大多數人的慣性稱呼,叫它負離子吧。但別忘了,這裡所說的負離子,是「帶有電子的空氣」

為何讓空氣攜帶電子就可以賣錢?

這跟一個小遊戲有關。你有玩過氣球摩擦頭髮的遊戲嗎?因為氣球本身材質的緣故,與頭髮摩擦時,可從頭髮中得到少量電子,形成所謂的「靜電」。你會發現,氣球在摩擦頭髮後稍微拿開,不要離頭皮太遠,你可以看到髮絲會微微豎起,彷彿被吸附在氣球上。

事實上,氣球能吸附的不僅是頭髮而已,還可以吸起小碎紙片,還有灰塵微粒。同樣回過頭來看,「帶有電子的空氣」就像「帶有電子的氣球」一樣,可以吸附空氣中的小灰塵,進而達到空氣清淨、除塵的效果。不過,無論是空氣或氣球上的電子都無法久留,不消幾分鐘就會跳出去而回到原本不帶電的狀態。

玩氣球摩擦頭髮的遊戲時,將氣球拿開後,可以看到髮絲微微豎起。圖/商周出版

經過解釋之後,你是否覺得負離子並不是什麼特別先進的技術?不過,空氣不像氣球那樣可以抓來摩擦頭髮,那麼要如何吹出充滿負離子的空氣呢?

很簡單,只要在吹風口加裝一個所謂的「負離子產生器」就可以了(這玩意兒超便宜,不信去 Google 看看)!它會透過通電,讓電子們在一個金屬尖端上集合,當空氣通過金屬尖端時,會順手抓了點電子帶走。於是帶著電子的空氣就此啟程,接著就像前述的氣球例子一樣,把空氣中微小的髒汙粒子給吸住啦!

雖然商人口中的負離子不是一個「科學正確」的名詞,但既然有所謂的負離子,相對來講有「正離子」嗎?如果有的話,它們又有什麼用呢?

你有到過瀑布旅行嗎?是不是許多人都會形容,在瀑布旁呼吸時空氣特別清新?沒錯!瀑布周圍的空氣往往比較乾淨。

這不完全是因為森林裡汙染少的緣故,而是瀑布下墜的水珠在與空氣摩擦時,少量的電子會從水珠短暫轉移到空氣中,此時不只是空氣,其實就連小水珠也具有吸附灰塵微粒的功能,而小水珠正是「正離子」。

所以透過正、負離子的幫忙,空氣特別乾淨清爽(同樣的,大雨過後的空氣是不是也很清新?)!

瀑布下墜的水珠在和空氣摩擦時,少量電子會從水珠轉移至空氣中。圖/商周出版

如果還不相信「正離子」的存在,再拿著氣球摩擦頭髮看看吧!當氣球離開頭髮之後,試試看,找一些小紙片靠近頭髮,頭髮是不是一樣可以把紙片吸起來呢?這是因為電子從頭髮跑到氣球的緣故,此時的頭髮短暫失去了一些電子而帶正電,證明了正離子也有一樣吸附塵埃的作用。

日本伴手禮第一負離子吹風機怎麼來的?

負離子的應用還不止於「吸附」,若應用得宜,負離子的另外一個特性—「互斥」也能成為生財工具。例如近年極受歡迎的負離子吹風機,幾乎是所有旅日觀光客搶購家電名單的第一名。許多人使用後發現,一般吹風機是使用大量熱風吹乾頭髮,但吹乾效果卻遠不如負離子吹風機那麼好,這到底是怎麼回事呢?

首先,來談談為什麼吹風機要搭載負離子產生器?

要知道,負離子與負離子之間並不是互相吸引,而是互相排斥。在負離子被吹送到頭髮之後,電子跳到頭髮上面,頭髮之間便「相看兩厭」不容易糾纏在一起,進而維持髮絲之間的秩序,頭髮便相對容易快乾。

許多人認為負離子吹風機吹乾效果比一般吹風機好,但真的是負離子的功勞嗎?圖/giphy

但這樣子講對負離子來說的確是有些過譽,因為要快速吹乾頭髮還得考慮風量、溫度等因素,不同機種的參數也不盡相同,或許負離子還不是最關鍵,只是讓價格水漲船高的推手之一。

如果要證明負離子縮短了多少時間,最科學的方法,便是將吹風機的負離子產生器移除掉,用一模一樣的手法、在一模一樣的環境下吹頭髮。不過對業者來說,這也許是一個相當冒險的實驗,要是吹乾時間相去不遠,「負離子」可能就此跌落神壇,所以市面上似乎還看不到同款吹風機做出搭載與不搭載負離子的版本,也許就是這個原因吧?

今晚,我想來點負離子粉……

不過,要產生負離子的手段還不只有透過摩擦或通電來達成,只要觀察琳瑯滿目市售的負離子商品,相信不難看到負離子水壺、負離子床墊、負離子涼被⋯⋯負離子如此百搭,彷彿食衣住行都可以 feat. 負離子。

但這些日用品可沒有藏著一隻「皮卡丘」,偷偷幫你放電來聚集電子,其中的奧祕,便是在這些商品的製造過程中,摻入所謂的「負離子粉」

負離子粉其實也不是什麼神祕的黑科技,而是摻入了一些具有放射性的成分在裡面,在之後的章節我們會談到輻射線,現在你只要知道,這股能量足以讓空氣裡的電子短暫的脫逃,產生正、負離子。

但這類的負離子產品就不得不小心看待,因為這類輻射線能量較高的產品,如果是設計為長時間穿戴,就必須當心是否輻射劑量過高,如劑量越高,長久下來對人體造成傷害的風險也就越高。

所以,有「負離子」就有保庇嗎?

說到這裡,我想你一定能明白,不管我們用哪種手段製造出所謂的「負離子」,本質上就只是帶有電子的空氣。然而,如果你追求的是療效,目前在醫學上還沒有明確且一致的證據支持負離子對人體有益處。

因此想要購入負離子的商品來求個心安的同時,最重要的還是留意產品是否符合安全規範,否則讓來路不明的商品傷了身,還賠了荷包裡的辛苦錢,這個嘔氣的心理傷害也許比生理上的傷害還來得顯著吧!

——本文摘自泛科學2020年10月選書《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》,2020 年 8月,商周出版
商周出版_96
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