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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。

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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。

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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。

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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:

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  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

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吳京
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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。」

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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顯微鏡下的淚水結晶 ——《眼淚的地形學》
顯微觀點_96
・2025/10/22 ・1486字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

喜極而泣的淚水、悲傷難過滴下淚水,眼淚表現著人當下的情緒;不僅如此,眼淚更是保護眼睛、避免角膜受傷的關鍵要素。

但你可曾想過,微觀的眼淚長成什麼樣子?科學藝術家透過顯微鏡觀察眼淚,發現人的眼淚居然有著和雪花相似的晶體,且每一滴淚的結晶樣貌都獨一無二,可說是獨特的藝術品。

蘿絲‧林‧費雪(Rose-Lynn Fisher)是一位常駐洛杉磯的美國攝影師,曾用掃描式電子顯微鏡(SEM)的視角捕捉蜜蜂的微觀結構,並以《蜜蜂》(Bee)的照片集聞名。

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2008 年費雪因痛失至親,經常落淚。因此有天她突發奇想,如果將眼淚放在顯微鏡下拍攝是什麼樣子?她看到眼淚水分蒸發後呈現結晶排列,如同地球的地形一樣,簡直就像「情感領域的鳥瞰圖」。因此她陸續蒐集 100 份眼淚樣本進行顯微攝影,出版了攝影集《眼淚的地形學》(The Topography of Tears)。

無獨有偶,遠在荷蘭海牙的攝影師莫里斯‧麥克斯(Maurice Mikkers) 也正從事眼淚的顯微攝影,在他的顯微視角下,眼淚結晶則像雪花一般。

莫里斯開始拍攝顯微鏡下的眼淚,始因於 2015 年某天,他重重地踢到桌腳不禁落淚的經驗。

當時莫里斯正在研究雙氯芬酸(Diclofenac),一種非類固醇抗發炎藥的結晶。當他拿著結晶幻燈片從廚房走回辦公室時,腳趾大力地撞到桌子,落淚的那一刻,他腦中想著:「我要拿微量吸管捕捉臉頰上滾落的淚水。」

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他將蒐集到的眼淚滴在顯微鏡玻片上,並且透過顯微鏡看見淚水呈現美麗的結晶樣貌。

莫里斯原本也不知道必須使用什麼樣的顯微技術才能「看見」眼淚,一開始嘗試了明視野和偏光照明的方式,雖然都有非常漂亮的結果,但他仍覺得「缺少些什麼」。爾後,他使用了暗視野照明方式。

「我驚呆了!眼淚在黑暗的背景上,形狀就像一個小星球,星球地貌呈現出美麗的圖案和形狀,感覺就像是一顆『眼淚行星』」,莫里斯這麼說道。

不同照明技術下的成像。

莫里斯也試著探究為何眼淚在顯微鏡下呈現的結晶樣貌各有不同。不過,雖然推測受淚液的組成影響,其中包含水、脂質、葡萄糖、粘蛋白、乳鐵蛋白、淚蛋白、免疫球蛋白、尿素、鈉、鉀、氯、錳和溶菌酶等;甚至情緒性的眼淚還包含催乳素、促腎上腺皮質激素。

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此外,莫里斯透過親友和計畫募集三種類型的淚水。第一種是用於潤滑的「基礎型淚水」(basal),透過看著電扇、通風器等,睜眼 60 秒以上且不眨眼的方式蒐集;第二種是因為吃辣椒、切洋蔥等導致流淚的「反射型淚水」(reflex);第三種則是因為快樂、悲傷痛苦而留下的「情緒型淚水」(emotional)。

但莫里斯發現,儘管是同一種類型的淚水,在顯微鏡下仍然呈現不同的圖像。「它們都是獨一無二的」,莫里斯說,因不是在完全受控的環境形成,眼淚的溼度和溫度不同,也可能讓有完全相同化學成分的兩滴眼淚在顯微鏡下看起來非常不同。

小知識:明視野 vs 暗視野照明

參考資料:

  1. https://medium.com/micrograph-stories/the-journy-of-imaginarium-of-tears-5f70c8fb6f53
  2. https://www.smithsonianmag.com/science-nature/the-microscopic-structures-of-dried-human-tears-180947766/
  3. https://www.businessinsider.com/what-tears-look-like-under-a-microscope-2015-10
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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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超壓縮的水會變成冰?!二維奈米薄冰能在室溫下穩定存在嗎?有什麼用途?——專訪中研院原分所謝雅萍副研究員
研之有物│中央研究院_96
・2024/03/10 ・4907字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|張琬婷
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術編輯|蔡宛潔

水能被擠壓成冰?

水在攝氏零度以下會結冰。然而,當水被擠壓到極限時,會形成二維的奈米薄冰,不僅室溫下穩定存在,還有從未見過的鐵電特性(Ferroelectricity),而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員,她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰,以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件,研究成果發表在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

奈米尺度下,物質特性會跟著改變?

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料,這是奈米科技的領域。奈米是什麼?奈米(nanometer)是長度單位,即 10-9 公尺,一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下,很多物質的特性會隨之改變,最常見的例子是「蓮花效應」,因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構,為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性,髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

電腦模擬圖(左)和實際照片(右),蓮葉上密集的微小突起,讓大顆的水珠和灰塵不易附著,這讓蓮葉具有疏水與自我清潔的特性。
圖|William ThielickeGJ Bulte

奈米材料(nanomaterial)是指三維尺寸的材料,至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維,就是平面的二維材料(2D),例如石墨烯;縮小兩個維度,就是奈米線(1D);三維都縮小,就是零維的奈米顆粒(0D)。

奈米科技(nanotechnology)的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼(Richard Feynman)在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢?」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人,他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

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過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發,但受限於製造技術不成熟,而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年,在掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)發明之後,不僅有助於材料的微觀分析,操縱單個原子和分子也成為可能,奈米科技也逐漸實現。

2013 年 IBM 研究人員使用 STM 顯微鏡將上千個一氧化碳分子製作成原子等級的動畫「男孩與他的原子」,目前是金氏世界紀錄最小的定格影片。

無處不在的奈米科技?

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是,從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例:防曬霜之所以是白色,是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒;許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物,來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性,例如汽車鍍膜或奈米光觸媒;羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂,讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業,奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀,以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級,製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」,謝雅萍說道。

IBM 展示 5 奈米技術的矽奈米片電晶體(nanosheet transistors),圖中堆疊起來的一顆顆橢圓形結構是電子通道的截面,IBM 設計立體結構以因應愈來愈小的元件尺寸。
圖|IBM

實驗中的難題,反而促成驚奇發現?

鐵電性是什麼?二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式?

對謝雅萍來說,發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關,畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目,理論上當兩層石墨烯很靠近時,分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態,沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

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然而,實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時,石墨烯開關仍會導通,甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久,嘗試思考了各種可能性,但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目,沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題,因此這個研究比預期多花了一兩年」,謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來,某次謝雅萍在與朋友討論研究時,突然想到一個可能的方向:「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料,但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕,開關關不緊會不會就是水的影響?」

設計實驗跑下去之後,謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來,兩層石墨烯結構中,真的有水分子的存在!「一般水分子用手去捏,還是會維持液體的狀態。但是我們發現,當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時,水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰!」,謝雅萍開心地說道。

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換句話說,當極限擠壓之下,水會結成冰,而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在!

示意圖,當水受到兩層石墨烯的極限擠壓之下,會形成單原子厚度的二維奈米薄冰,這層薄冰是鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在。
圖|之有物(資料來源|謝雅萍)

鐵電材料乍聽之下很抽象,謝雅萍表示:「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料,大多數人對鐵電材料比較不熟悉,其實概念十分相似」。她說,鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後,即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地,鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性,這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列,形成一個永久的電偶極,並且在電場消失後保持不變。

鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷排列方向。圖片顯示為順電狀態,極化方向和外加電場相同,箭頭表示每一小塊區域(Domain)的平均極化方向。
圖|之有物(資料來源|Inorganics

接著,謝雅萍發現,二維冰的鐵電性只存在於單層原子,增加多層原子之後,鐵電性會消失,變成普通的冰,這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰,是非常特殊的固態水,不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定,二維冰可以在室溫下穩定存在,不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現,要升溫到攝氏 80 度,被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度,這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

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於是,謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件,他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性,在施加不同外加電壓之後,元件可以維持上次操作的電阻值,並保留至下次操作,有這種特性的元件稱為「憶阻器」(memristor)。

憶阻器這個詞是由記憶體(memory)與電阻(resistor)組合而成,字面上的解釋便是:具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示:「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值,再以微小電壓讀取之前的電阻值,允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料,具備未來記憶體的發展潛能。

此外,二維冰奈米開關也是很好的開關裝置,團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬,開路和斷路的功能極佳,並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減,相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊,並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進,目前實驗室有和台積電(TSMC)合作,希望透過產學合作,將更多奈米技術的應用落地實現。

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謝雅萍與研究團隊用意外發現的二維奈米薄冰,以石墨烯為架構,做出了全世界第一個機械式的憶阻器。
圖|之有物

與二維材料實驗的相遇?

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員,同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人,她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果,創意與想法的激盪和交流,是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期,謝雅萍都在臺大物理所,鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶:「當時我們都要向化學系要材料,他們給什麼我們就得用什麼,但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到,擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫,讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構,進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好,也可以幫助學生建立重要人脈!」在指導教授引薦下,謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院(MIT)的二維材料實驗室,自此與二維材料結下不解之緣,她認為:「好材料與好元件是相輔相成的,前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後,深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作,然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行,學生之間會互相分享自己的研究內容,互相幫忙思考、激盪出新想法」,謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

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當年二維材料還在萌芽階段,她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者,她也因此立下了目標:「希望未來我有能力時,能夠自己掌控自己的材料做出好元件!」如今,謝雅萍正走在自己目標的道路上,過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人,直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料,身處這些男性為主的學術環境,謝雅萍顯得自在,而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性,讓自己融入整個以男性居多的環境中,才不會在團體中有突兀的感覺」,她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab,是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室,他們除了是工作上的夥伴,更是人生中的最佳拍檔!當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識,再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是:這種共同主持的模式與一般實驗室相比,是否有特別之處?

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「從多個面向而論,我認為都是 1+1>2 的」,謝雅萍說道,「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目,兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻,我們在研究上看的面向也都不一樣,因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充,不僅對實驗室本身而言,對學生也有很大的好處,「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人,代表學生的研究成果會非常扎實,也可以為學生帶來信心。」重要的是,「學生也會得到兩倍的照顧與關愛,我覺得我們的學生是蠻幸福的」,謝雅萍笑笑地說。

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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