Advertisements

0

0
0

文字

分享

0
0
0

冰晶夾心之石墨烯三明治

吳京
・2015/04/27 ・2489字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 577 ・九年級
石墨烯冰晶三明治示意圖(誤) Credit:Joy
石墨烯冰晶三明治示意圖(誤)
Credit:Joy

替1700年前的配角平反

謝太傅寒雪日內集 ,與兒女講論文義 。俄而雪驟 ,公欣然曰﹕「白雪紛紛何所似?」兄子胡兒曰:「撒鹽空中差可擬 。」兄女曰:「未若柳絮因風起。」公大笑樂。

在這段出自《世說新語》的文字中,謝太傅問到,白雪像什麼呢?其姪子謝胡兒的說像是抓一把鹽往天上撒,姪女謝道韜則回答像柳絮隨風而起。論情境、論韻味、論文字之典雅,自然是謝道韜完勝。故事流傳至今,後世也以「詠絮之才」來讚頌女性的文采。

然而,若以科學的角度觀之,反而是淪為千年配角的謝胡兒說得正確些。

食鹽和雪,都是無機物的固體,都是由規律排列的原子所組成的晶體,也都呈現澄澈透明的光學性質。原子在晶格中的排列方式會影響到物質的特性,鹽晶的結構屬立方晶系,冰晶則為六方晶系,因此鹽晶總是呈現有稜有角的形狀,而冰晶可幻化出絢麗的六角形雪花。

其實,冰晶可以幻化出的,可不只是六角形雪花而已。

Advertisements

上善若水

水是地球上極其普遍卻也是極其神奇的物質,地表有70%被水覆蓋、人體有70%的成份是水,水也是少數在自然環境下,同時存在固、液、氣三態的物質。由於水是如此的重要,形態又如此多變,水常常是科學實驗中的主角。

這張照片中,同時存在著水的液態、固態及氣態(雖然水蒸氣是透明的) credit: ravas51
這張照片中,同時存在著水的液態、固態及氣態(雖然水蒸氣是透明的)
credit: ravas51

人們對水分子結晶過程及形態的科學探索至今仍方興未艾,下圖顯示溫度及壓力變化下所對應到的水的狀態,羅馬數字代表不同的冰晶結構,圖中最大的編號為15,事實上,一份發表在2014年nature期刊上的研究論文,已將冰晶的編號推向第16號。除了六方晶系外,水分子也可能組成正交晶系、四方晶系或單斜晶系等晶體。

水的相圖 圖片來源:wiki (作者Yinweichen)
水的相圖
圖片來源:wiki (作者Yinweichen

2010年諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆(A. K. Geim)所屬的研究團隊,也在最新一期(2015年4月份)的nature期刊上發表了一篇論文,探討前所未見的單層二維矩形冰晶。要產生這種薄薄的單層冰晶,必需在室溫下對水分子施加高達10,000個大氣壓的壓力。能達到這麼大的壓力,關鍵在「石墨烯」。

穿透式電子顯微鏡下的二維矩形冰晶 圖片來源:nature期刊
穿透式電子顯微鏡下的二維矩形冰晶
圖片來源:nature期刊

感恩石墨烯、讚嘆石墨烯

石墨烯是碳原子在蜂巢晶格結構下所形成的二維材料,層層堆疊於石墨中。人們原本無法將之從石墨中單獨分離,直到2004年,曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶撕貼的方式成功地將石墨烯轉至矽晶元表面上,才開啟這類研究的新紀元,也讓他們獲得了2010年的諾貝爾獎。

Advertisements
石墨烯的蜂巢狀晶格 圖片來源:wiki (作者AlexanderAlUS)
石墨烯的蜂巢狀晶格
圖片來源:wiki (作者AlexanderAlUS)

自此後,石墨烯在許多研究中展現了另人驚艷的特性。包括高韌性(裂斷強度是鋼的100倍)、高導電度(電導率比銅高出35%)、高熱傳導率、高透明度及化學穩定性等等。石墨烯一時成為材料、電子、生物及能源等領域中的當紅炸子雞,連物理學家也把石墨烯特殊的錐狀能帶結構視為研究相對論量子力學的好所在。

2012年時,海姆教授的團隊又查覺到一個與石墨烯有關的奇異現象。他們發現水分子對氧化石墨有很高的滲透率,水分子的穿透速度,甚至比體積更小的氦還高出10的10次方倍。於是他們進行了理論模擬,推測水分子在這些二維薄片及毛細管徑間,會形成摩擦係數極低的單層的冰晶,故可幾無阻礙地一溜而過。

有了理論模擬,他們開始進行實際的實驗。上文所謂「對水分子施加高達10,000個大氣壓力」云云,其實就將水夾在兩片石墨烯之間,形成一個三明治一般的構造。能產生那麼大的壓力,主要歸功於與石墨烯相關的兩個作用。

其一是「凡德瓦力」,即分子和分子間的電性引力,也是讓隱形眼鏡能貼合在眼球上的力量。凡德瓦力會隨材料的接觸面積增加而增加、也會隨材料間的距離減少而增加。石墨烯的奈米結構讓它擁有極高的比表面積,因此,當兩片石墨烯靠近時,會產生極大的貼合力道。

Advertisements

其二是「疏水性」,講到疏水性館主腦海中浮現荷苞初放時,荷葉上水珠之可愛樣貌;與其相對的是「親水性」,就如紙張上的水所呈現的攤平狀態。將水夾在疏水性材料的平面間,水珠會像個彈力球搬奮力抵抗而承受到壓力;反之,夾在親水性的平面之間時,不但不抵抗,還會拉攏兩平面貼合在一起。

材料親、疏水與否,取決於水分子中的氫鍵是否會因材料表面分子極化而與之相互吸引。石墨烯的表面是均勻且鍵結力強的蜂巢狀晶格,讓氫鍵在此幾無落腳之地,故有高度的疏水性。因此,在石墨烯三明治中,凡德瓦力幾盡都轉為施加在水分子上的壓力,將之壓成二維矩形冰晶結構。

研究團隊表示,這種含水的疏水性毛細管柱及平面也會存在於石墨以外的礦物之中,甚至是生物體內的通道蛋白與細胞膜間。因此此研究之價值除了在展現不同的冰晶結構外,亦有助於人們對相關問題的探索。

參考資料:

Advertisements
  1. Soper, Alan K. “Physical chemistry: Square ice in a graphene sandwich.“Nature 519.7544 (2015): 417-418.
  2. G. Algara-Siller,O. Lehtinen, F. C. Wang, R. R. Nair, U. Kaiser, H. A. Wu, A. K. Geim & I. V. Grigorieva. “Square ice in graphene nanocapillaries“, Nature 519, 443–445, doi:10.1038/nature14295.
  3. 餘參考資料均標示於文內超連結處。

本文轉載自作者部落格

Advertisements
文章難易度
Advertisements
吳京
26 篇文章 ・ 2 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。」
Advertisements
Advertisements


1

3
2

文字

分享

1
3
2

小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

Advertisements

規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

Advertisements

本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

Advertisements
所有討論 1
Advertisements
台灣科技媒體中心_96
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
台灣科技媒體中心希望架構一個具跨領域溝通性質的科學新聞平台,提供正確的科學新聞素材與科學新聞專題探討。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策