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就像盯著黑洞看:地表最黑材料「奈米碳管黑體」

活躍星系核_96
・2015/05/26 ・1687字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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編譯 / 許瑞福(台大電機系雙主修哲學,人文與科學的兩棲類)   編輯 / y編

逍遙自在的油漆工思想大家莊子曾經寫下:「人皆知有用之用,而莫知無用之用也。」看看這塊黑漆漆的東西,你不禁懷疑:「這到底有什麼用啊?」這時候,發明它的科學家們肯定會跳出來說:「你這不識貨的傢伙!」

在英國南方一座不顯眼的工業區,科學家們用奈米碳管做出了一種新材料,這種材料就像黑洞一樣黑,因以為號曰:「奈米碳管黑體」(Vantablack)!

奈米碳管黑體能吸收99.965%的入射光,你幾乎看不見它,只能見到的這團黑漆漆的東西周圍的空隙,然後推測那裡應該有些什麼東西。奈米碳管黑體的第一批顧客來自國防與航太部門,它被用來製作需要匿蹤的飛行器、武器,或是敏銳的天文望遠鏡,可以防止雜散光的進入。

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奈米碳管黑體是由鋁箔上的奈米碳管所構成。薩里奈米系統(Surrey NanoSystems)這家公司費了九牛二虎之力才開發出來,因此將它視為商業機密,相關的細節外人難以窺探。不過從奈米碳管黑體的名字中也許藏有蛛絲馬跡,因為「Vanta」意指垂直對齊的奈米碳管陣列(vertically aligned carbon nanotube arrays)。而薩里奈米系統公司,最在行的正是低溫原子沉積製程(low-temperature atomic deposition processes),所以很可能是利用原子層沉積(atomic layer deposition)或化學氣相沉積(chemical vapor deposition)將奈米碳管沉積於鋁箔基質上。

surrey-nanosystems-vantablack-very-black-aluminium-foil

除了在《Optics Express》這份期刊上以外,還能從這篇論文中找到一些蛛絲馬跡,這份論文主要在討論這種材料是否能夠用在航空領域上。

先前奈米碳管的相關研究指出,如果將垂直對齊的奈米碳管排列緊密,光會進得來但出不去。奈米碳管(如同石墨烯)是吸收光線絕佳的材料,輻射線射入材料時,會在材料上反覆彈跳並吸收殆盡,幾乎沒有輻射可以逃脫出去。由於有相似的特性,石墨烯也被寄望用來製作超敏銳成像感測器

這是奈米碳管黑體在顯微鏡底下的樣子,垂直緊密排列的奈米碳管。
這是奈米碳管黑體在顯微鏡底下的樣子,垂直緊密排列的奈米碳管。

奈米碳管黑體可以吸收99.965%的入射光,也就是說只有0.035%的光被反射出來。薩里奈米系統公司並沒有清楚指出吸收頻率的波段,但我們從之前的研究可以得知,奈米碳管具有驚人的吸收光譜頻寬-從紫外線、可見光、紅外線到微波,因此奈米碳管黑體是匿蹤飛行器、武器以及其他軍用設施最棒的材料。除此之外,它也用來放置於望遠鏡與其它成像裝置的內部,吸收環境散亂的光線來提高解析度與觀測範圍。

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公司的技術長Ben Jensen說:「很難用言語描述這個材料,因為你根本無法『真的』看到它。即便你把奈米碳管黑體彎曲或弄皺,它看起來仍然是平的。」、「彎曲或弄皺奈米碳管黑體後,你以為能夠看見像山丘一般的高低起伏,但事實上你還是只能看到黑黑一片,就像根本沒有任何東西存在。這感覺實在是太奇怪了!」

一位未曾參與過研究的英國教授Stephen Westland則說:「這些新的材料,根本就像是黑洞!」也因為它黑的像黑洞一樣的特性,藝術家Sir Anish Kapoor也利用它來進行創作。

薩里奈米設備公司表示,首批奈米碳管黑體訂單已經出貨,目前也正在擴大生產,以便能滿足在國防及太空領域的所有初期客戶需求。NASA也曾開發出一種非常似的材料稱為「super-black」,但並沒有提及是否可以量產。目前NASA的天文望遠鏡的內部只用了黑色塗料覆蓋,而非使用NASA開發的super-black材料。(延伸閱讀:史蒂芬‧霍金的新研究-不存在黑洞

讓我們期待一下,很可能不久之後就可以看到真正的隱形飛機或是坦克,明明從身邊開過去卻什麼都見不到!

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 參考資料:

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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