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從廢石中回收貴重礦物的新技術

only-perception
・2011/09/28 ・422字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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研究者報告發現一種全新技術,能更有效地從岩石與礦石中分離金、銀、銅與其他有價值的材料。他們在製程上的報告出現在 ACS 期刊 Langmuir 上,那使用奈米粒子來抓住這些材料,並使它們附著到浮選機(flotation machine)中的氣泡上。

Robert Pelton 等人解釋,每年,公司使用一種稱為泡沫浮選(froth flotation)的技術來處理大約 4.5 億噸的礦物。此過程涉及將礦物粉碎成小顆粒,接著使顆粒漂流在水中以便從廢石中分離出在商業上有價值的顆粒。水中包含「浮選劑(collector)」這種物質,那能附著到貴重顆粒上,使它們與水相斥,並上升到冒泡的水面,在那裡它們能輕易地被撈走(skimmed off)。

研究者們展示一種新型的浮選劑技術,那由斥水性奈米粒子組成。在實驗室實驗中,利用玻璃珠來模擬真實的礦物粒子,他們證明,這種奈米粒子能如此牢固地附著在玻璃珠上,以至於浮選產生近乎百分之百的回收率。

資料來源:PHYSORG: New technology for recovering valuable minerals from waste rock [September 14, 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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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史上最早金屬吸管——5000年前一組8人喝啤酒?
寒波_96
・2022/02/07 ・3857字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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湖中女神:「請問你掉的是金吸管,銀吸管,還是紙吸管?」
考古學家:「我只要塑膠吸管,塑膠吸管是人類最偉大的發明。」

前幾年台灣政府限制使用塑膠吸管後,好些人響應環保號召,隨身攜帶金屬吸管。最近有論文報告,發現已知最古老的金屬吸管,以高貴的金、銀打造,距今有 5000 年之久。古代人使用金屬吸管的目的當然不是環保,是享樂。

啤酒 8 人一桶,保證群聚感染。圖/參考資料 1

超過一公尺的金屬管,是權杖還是吸管?

這批「吸管」出土於北高加索的梅科普遺址(Maikop),而且早在公元 1897 年就重現於世。它們來自一座豪華墓葬(kurgan),是豐富陪葬品的一部分。照現代的認知,這座墓葬距今約 5000 年,被歸類為青銅時代早期。

墓中陪葬的金屬長管共有 8 根,擺在長眠的墓主附近。它們由金、銀打造,金屬原料被打薄成大薄片,再捲起來成管狀。每根長度 112 公分,直徑約 1 公分,管壁厚度介於 0.27 到 0.70 mm,重量約 200 公克。

梅科普遺址出土,由金、銀製成,長度超過一公尺的「權杖」?圖/參考資料 1

超過一公尺的金屬管並非一體成型,而是多段組合而成。4 根包含較短的二或三段銀管,其中 2 根上有小隻銀牛的雕像裝飾;另外 4 根則包括金管和銀管,其中 2 根上有金牛雕像。金牛與銀牛皆為實心,長度 7 到 9 公分,中間穿孔插在管上,可以滑動調整位置。

一開始挖掘的考古學家,聖彼得堡大學的 Nikolai Veselovsky 判斷,這組金屬管是古代大人物用的權杖,後來還有其他學者提出不同見解,覺得是出巡用大棒棒之類的(法西斯?)。但是他們都無法解釋,為什麼權杖要大費周章做成空心的。

新發表的論文認為應該是「吸管」,使用時過濾器方向朝下,可移動的金牛、銀牛是倒立的。圖/參考資料 1

新發表的論文則提出幾點證據,認為這組「權杖」應該是吸管,目的是讓大家一起吸啤酒。如此判斷的證據,來自與中東地區考古的比較。

咕咕咕咕嘟嘟嘟嘟,用吸管逸樂的歷史

啤酒的歷史也許非常早。早於植物被馴化,農業誕生、人類定居形成農村以前,黎凡特(現今的以色列、黎巴嫩與周圍一帶)的納圖夫文化(Natufian)疑似已經有人發酵穀物,釀造啤酒。反正酒的歷史,淵遠流長。

至於吸管的歷史,不可考。用管子吸液體,應該不是太難的發明,但是如果以麥稈、蘆葦等材質作為吸管,幾乎不可能留下考古紀錄。

如今已知最早的吸管並非實體,而是留在印章上的圖案,來自伊拉克北部的 Gawra XII,以及伊朗西部的 Chogha Mish 這些位於中東的遺址,超過五千年。

1 是烏爾王室墓葬中,以吸管共享飲料的圖像;2 是普阿比女王墓葬中,包金的蘆葦吸管;3 是普阿比女王墓葬中,包金和青金石的銀西管;4 是 Tell Asmar 出土的過濾器; 5 是敘利亞的 Chagar Bazar 出土的過濾器。圖/參考資料 1

六千年前過後,美索不達米亞的蘇美等古文化,漸漸發展出初步的古文明,也顯現出逸樂的跡象。幾處距今 4000 多年的貴氣墓葬,描繪宴會的場景中,可以見到一群人用長吸管喝飲料。

蘇美人常用的吸管材質應該是蘆葦,也有豪華版的包金蘆葦。烏爾(Ur)的普阿比女王(Queen Puabi)距今約 4600 年的華麗墓葬中,便出土金箔包覆的蘆葦桿,長度 124 公分、直徑 1 公分。另外還有 2 根類似的吸管,一根銅製,另一根銀製,上頭包金,2 根都有青金石裝飾。

烏魯克(Uruk)等地,則出土過吸管上的動物裝飾小雕像。

梅科普遺址出土金屬長管的一截尖端,推測是浸入啤酒中,作為過濾器使用。圖/參考資料 1

和普阿比女王墓葬同時期的 Tell Asmar 留下一組飲用設備,包括碗、長管、過濾器。過濾器通常為銅製的窄椎體,安裝在蘆葦吸管的前端,浸入液體過濾啤酒中的雜質,可以拆卸重複使用。

一組八人咕咕咕咕咕咕咕咕,第九個人沒酒喝!?

上述位於今日伊拉克境內的多處遺址,出土的長管們,可以肯定作為吸管之用,它們的型態和北高加索的金屬長管十分相似。

另外北高加索的金屬管內,疑似作為過濾器的部分,也發現裡頭殘留大麥澱粉顆粒和植物矽酸體(phytolith)。綜合推論,這組金屬管應該也是作為吸管使用,曾用於吸食啤酒。

梅科普遺址出土,1 是銀製過濾器;2、3 為大麥的澱粉顆粒;4 為椴樹(lime tree)的花粉粒;5 為穀物的植物矽酸體。圖/參考資料 1

早在公元 1897 年便被發掘的梅科普遺址,後來成為廣布北高加索地區,梅科普文化的代表性遺址。此一文化介於新石器時代晚期(或銅石並用時期)到青銅時代早期,過去常認為以畜牧業為主要生產方式。

然而該遺址其實也出土大量石製鐮刀、儲存容器,這些都是農業生產的特徵。當時的人,無疑具備用大麥等穀物釀酒的條件。

超過一公尺的金屬吸管如何使用?參考距今 4000 年左右,敘利亞的 Tell Bagüz 遺址的狀況,論文推測可能是將 8 支吸管插在大酒桶裡,同時讓 8 個人圍一圈一起喝酒(第 9 個人沒酒喝!),是宴會的項目之一。

梅科普遺址的吸管上的金牛、銀牛。圖/參考資料 1

考慮到不少吸管是陪葬品,而葬禮是人類最重要的聚會形式之一,古人也可能會在葬禮中痛飲一輪,再把吸管組陪葬。不論如何,這都是某種享受與奢華的展現。

穿越文明疆界的啤酒社交風俗

這類社交場合,也伴隨體液交流,可想而知是群聚感染的溫床,不過當然不能用現代公衛標準要求古代人。

另一點有趣的是,要用超過一公尺的吸管吸到啤酒,肺活量想必不能太差;比起倒出來用酒杯痛飲,吸管的飲酒效率應該差很多,為什麼不倒出來喝呢?(想想李白用吸管啜飲美酒的畫面……好違和)

位於北高加索的梅科普,距離當時美索不達米亞的文明中心有段距離,兩地卻存在一樣的共享啤酒文化。圖/修改自 google map

我猜有個可能理由是促進社交,辦流水席吃吃喝喝,是不同時空的文化,維繫組織運作的一大共通手段。大家圍一圈喝酒,人際交流的意義不遜於飲酒本身(8 個人同時吸一大桶酒,佔著位置不吸大概也不會被發現,嘻嘻),這樣設計的目的,也許本來就是避免參與者喝的太多、太快,而忽略社交。

有趣的是,長吸管共飲是四、五千年前,中東文化發達地區流行的風尚。以中東古文明的視角觀之,距離數百公里的高加索北部可謂化外之地,但是這批邊緣人也存在使用金、銀吸管的風俗(順帶證實他們金屬加工的手藝相當優秀),與中東文明中心類似。啤酒文化的交流與傳播,顯然能穿越空間的阻礙。

延伸閱讀

參考資料

  1. Trifonov, V., Petrov, D., & Savelieva, L. (2022). Party like a Sumerian: reinterpreting the ‘sceptres’ from the Maikop kurgan. Antiquity, 1-18.
  2. Oldest known drinking straws identified

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
175 篇文章 ・ 672 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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什麼是「近場光學顯微術」?為何它是開啟奈米世界大門的關鍵?
科技大觀園_96
・2021/12/01 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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近場光學顯微術可突破繞射極限,使我們看到奈米等級的光學影像。圖/孔瀞慧繪

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後,從 20 世紀後半⾄今,突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸(約為光波長的⼀半,以可⾒光來說約 200-350 nm),仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑,⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場(far field)與近場(near field)兩⼤類,這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長(約數⼗奈米)處進⾏量測,若有則為近場,其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度, 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺,專攻近場光學顯微術,屬於探針掃描顯微術(Scanning probe microscopy, SPM)中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術,家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術,依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中,最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM),其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流(註1),作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離,⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術,其以針尖接觸(contact)或輕敲(tapping)物體,藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒,得知物體表⾯的高低起伏。 

探針掃描顯微術(SPM)家族。僅示意,並未包含所有的成員。圖/劉馨香製圖,資料來源:陳祺

在探針掃描顯微術中,控制針尖與物體的相對距離是重要的課題,STM 可控制距離在一奈米以下,AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外,要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」,其尺度都會在微米級別以上,這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場,⽽導致晶格長度的伸長或者收縮,即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術,探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎,外加光源於針尖上,即為近場光學顯微術(Scanning near-field optical microscopy, SNOM),依照光源形式的不同可區分為兩⼤類: 

1. 微孔式近場光學顯微術(aperture SNOM,簡稱 a-SNOM) 
2. 散射式近場光學顯微術(scattering SNOM,簡稱 s-SNOM)

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖,先鍍上⼀層⾦屬薄膜,並打上⼩洞,讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出,得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上,並量測散射後的光訊號。其中,針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡(Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式,主要為量測拉曼散射光譜,即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱,透過探針鍍上⾦屬薄膜,即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果,來增強待測物的拉曼訊號,並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

(左)a-SNOM 所使用的探針,針尖上有微孔。(中)a-SNOM 原理:綠色箭頭表示光從上方經微孔射入樣品,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。(右)s-SNOM 原理:綠色箭頭表示光聚焦於針尖,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。光源與偵測器的位置可互換。圖/陳祺提供

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間,其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測,需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合,用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主,曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果,維基百科的 TERS 條⽬,也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後,陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM,兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上,因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM,以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外,穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易,是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式(contact mode)的 AFM 方式掃描,以防止輕敲式(tapping mode)起伏會干擾光訊號,代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡,能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅(在⼀個奈米以下),可以大幅提高 AFM 的形貌解析度,也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗,才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

不同的顯微影像比較。樣品為一種二維材料異質結構,左為結構示意圖,中為 AFM 影像,右為 a-SNOM 影像。AFM 能精確解析樣品的高低起伏,然而 a-SNOM 可解析樣品的光學特性。圖/陳祺提供

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度,但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性,經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM,因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度,來解釋近場光學所量測的結果,以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外,陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測,將針尖與光學元件整合在自製的腔體(cage system)之中,得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像,這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後,⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員,「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽,陳祺分享⾃⼰的⼼得:「是不可能兼顧的啦!先集中精神做好⼀件事,等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事, 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1:量⼦穿隧電流:在量⼦世界中,物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質, 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時,有不為零的機率穿過去,並產⽣穿隧電流(tunneling current )。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減,因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

科技大觀園_96
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