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蠶絲-神的祝福-有機薄膜電晶體(OTFT)新發現(電子紙系列報導)

活躍星系核_96
・2011/10/09 ・1321字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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五苯環

有機薄膜電晶體(OTFT)之新發現,清華大學材料系黃振昌教授與博士班研究生王中樺、謝兆瑩2009年利用蠶絲做為介電層的材料,並成功開發出蠶絲成型技術發表在學術期刊上(Advanced Materials)並同時申請專利。蠶絲製作在低電壓的高性能五苯環有機薄膜電晶體,效率比以往使用的材料快上20倍,未來可讓電子紙或有機發光二極體螢幕具有相當程度的撓曲性。

什麼是有機薄膜電晶體呢(organic thin film transitor OTFT)?

「有機」,是在超市看到定義”有機”天然無添加人工色素的食物?不!那是吃的有機物,而「有機」薄膜電晶體,比較貼近以前在高中化學中對有機物和無機物的分類定義。

在軟性電子元件上,作為主動層(Active layers)的有機薄膜有很多種類,目前介紹的五苯環(Pentacene)是普遍被應用在OTF上的有機薄膜主動層之一。主動層運用的有機材料有小分子「五苯環」 (pentacene)又稱並五苯、高分子及有機金屬錯合物,五苯環熔點是攝氏300度,沸點是攝氏529度,製成薄膜時為可透光的藍紫色,因為結構緊密,且五苯環的材質可以幫助電子移動速度變快,採用五苯環電晶體來製造元件,可以透過有機溶劑,直接鍍在作為電子紙張基板的塑膠表面。用五苯環電晶體控制電子墨水開關的元件,沒有五苯環電子紙就無法運作,此外,減少另外加上去的電路複雜度,產品的成本能降到最低。近年來都被應用在太陽能電池及可撓曲式的電子顯示器或電子紙上。

和氧化物半導體和非晶矽的薄膜電晶體的基板幫助電子紙呈現動靜態影像的差異,OTFT基板注重製造成本低廉、耐衝撞及具有可撓曲的優勢,並能提升電泳電子紙pixel解析度3倍,解析度達150dpi,長遠來看,OTFT是未來電子紙主要使用的元件。

神的賜福-蠶絲

蠶絲,也是製作電子產品的絕佳材料!清華大學材料系師生兩年前意外發現,從蠶絲萃取出蠶絲蛋白,製成蠶絲膜,可當作閘極介電層材料;最近又成功製成可在低電壓操作的高性能五苯環有機薄膜電晶體,未來可應用在電子紙或有機發光二極體螢幕的彎曲功能。

清華大學材料系黃振昌教授表示:「使用蠶絲做介電層材料,是個非常意外的事情,我們經過許多次考驗,最終獲得突破。使用蠶絲可以比原本的速度快上20倍,由這種蠶絲膜製成的電子書或電子紙,翻頁速度會快很多。」,譬如以時速80公里的車速從台北到高雄要4.5小時,現在只要12分鐘。

蠶絲的製作成薄膜的過程,是先將蠶絲都丟到量杯裡煮滾成,拿去烘乾,烘乾後再切成小小塊,再丟入溶劑裡煮成蠶絲蛋白,最後將蠶絲蛋白塗抹在電晶體體的介電層部分。

因為有機電子正夯!或許電子紙的研究會因此發現更多可能性,清華大學材料系黃振昌教授所研發的蠶絲做介電層的材料,或許會對軟性有機電子紙產生相當深遠的影響,甚至會大大改變現今對電子紙的研發的可能性。

國科會科技新聞寫作班深度報導 楊瓊蘭 / 嚴巧珍 / 林姿吟

電子紙系列報導:

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活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 96 位粉絲
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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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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葡萄酒變酸了?這可不能忍!巴斯德揪出「乳酸菌」,成功拯救法國的釀酒業──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/12 ・2154字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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國安危機!為什麼葡萄酒變酸了?

在上一集中,我們聊到了十七世紀,荷蘭科學家 aka 手作達人雷文霍克,以他那充滿手工溫度的兩百五十臺顯微鏡,以及一百七十二塊鏡片,為世人展示了「微型動物」(微生物)的世界。

然而在雷文霍克之後,除了斯巴蘭札尼神父曾經投以關愛的眼神,做了一些相關的實驗與研究,微生物似乎逐漸被眾人遺忘。

一直到微生物學的奠基者,巴斯德(Louis Pasteur)的出現,微生物的存在終於開始閃閃發光。一開始,巴斯德是打算進行「自然發生說」的相關實驗,沒想到,一個可能動搖國本的問題卻找上了他。

巴斯德(Louis Pasteur)被譽為微生物學的奠基者,也是研發出狂犬病疫苗的科學家。圖/Wikipedia

在浪漫優雅的法國,飲酒文化與釀酒事業同樣歷史悠久,然而,當時的酒商與釀酒廠負責人卻天天急得跳腳,一點也浪漫不起來。

原來,釀酒這門手藝太過精細,只要一不小心,酒廠生產的酒很可能就會酸化變質,不僅造成商譽與營運的巨大損失,也會影響市場供應的穩定性。

生活不能缺少微醺的感覺,釀酒業的危機,簡直就是國安危機,巴斯德義無反顧的決定伸出援手。

於是,巴斯德拿出科學家的精神,仔細研究了整個釀酒過程,收集、觀察製程中,不同時間的發酵液,並且分析、比較這些酒液的不同。

經過一次一次的培養與試驗,巴斯德終於發現,在顯微鏡下,正常的發酵液中,有一種形狀圓圓的球體小生物(也就是酵母菌);而那些發酵失敗、變酸的酒液中,則可以看見一種又細又長的桿狀小生物(乳酸菌是也)。

乳酸菌平常也許是不錯的東西,但要是跑到酒裡面可就不好了。圖/envatoelements

抓出讓酒精變質的小小兇手

一八五七年八月,巴斯德發表了他的研究成果,這篇論文,可以說是現代微生物學的開山之作。論文中指出,發酵,是涉及某些特定的細菌、黴菌、酵母菌等微生物的活動。

這些研究不僅拯救了釀酒業,也影響著食品業與醫藥產業。當時的科學界一度認為,發酵與食物腐敗、傷口發炎等現象,是可以畫上等號的,因此啟發了一名外科醫師的抗菌革命之路(這段故事我們後面再聊,先賣個關子)。

回到釀酒業的危機處理之上,雖然揪出了讓酒變酸的凶手,但巴斯德的工作還沒有完成,還得找出一勞永逸的方法,才算是功德圓滿。

經過一番苦思冥想,巴斯德最後採用的是加熱滅菌法,這種方法,如今也被稱為「巴斯德消毒法」(pasteurization)。

我們都知道,加熱是個有效的滅菌方式,巴斯德將釀好的酒,短暫、而且小心翼翼的加熱,直到攝氏五十至六十度,藉此殺死那些可能讓酒變質的細菌。如此一來,不僅能讓酒長斯保存,也不會犧牲酒的口感,是不是很讚!

感謝巴斯德讓我們今天能喝到沒有壞掉的酒。圖/聚光文創

陷入絕境的養蠶業:蠶寶寶為什麼會生病?

感謝飛天小女警,啊不,是巴斯德的努力,一天又平安的過去了,釀酒業終於恢復了平靜。然而,一八六五年,法國農村再次遭遇危機。

雍容華貴的絲綢,是廣受貴族喜愛的高級布料,養蠶、攪絲、織布,也是當時法國農村的一大主力產業。沒想到,一種傳播快速、並且容易致死的疾病,卻在蠶寶寶界蔓延開來,蠶農們對此束手無策,養蠶業因此陷入絕境。

在昔日師長的建議之下,巴斯德決定投身於蠶病研究,為蠶寶寶尋得一線生機。

在此之前,他並沒有養過蠶,也缺乏相關知識。於是他動身前往法國南部,花了五年的時間,在第一線的蠶病疫區進行研究。

透過顯微鏡,巴斯德在病蠶的身體裡,發現了一些微小的病原體。

不曉得大家小時候有沒有養過蠶寶寶呢?圖/envatoelements

同樣的,溯源之後還得找出根治方法,巴斯德除了研究鑑定方法,以幫助蠶農辨認染病的蠶寶寶之外,也建議蠶農對病蠶進行隔離。

篩檢與隔離,加上選擇性育種與提高蠶群的清潔度,巴斯德提出的「蠶界防疫新生活」,不但拯救了無數蠶寶寶的性命,也讓瀕臨崩潰的法國絲綢獲得喘息。

在釀酒業與養蠶業分別取得成功之後,巴斯德於是將目光從經濟產業轉向醫療產業。

這些肉眼看不見的微生物,既然可能讓酒變酸,也可能讓蠶生病,是不是也可能引發人類的疾病?如果真是如此,只要知道如何躲避生物的攻擊,或許就能增加戰勝疾病的可能性。

大家努力待在家防疫的時候也別忘了記得動一動。圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 9 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

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聚光文創_96
6 篇文章 ・ 2 位粉絲
據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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蠶繭電池是綠能的未來?!
胡中行_96
・2022/08/25 ・2454字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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一襲華美的傳統印度紗麗,在燈光下反射出璀璨的光芒。仔細收縫的布邊,附了一只小標籤,上頭繡著飛蛾般的圖樣。那是印度絲綢標誌組織,授予的真絲證明。[1] 買衣服看布料成份,天經地義。不過,如果有一天市面上販售蠶繭電池,廠商是否也會標榜百分之百純天然蠶絲? 2022 年 8 月的《科學報告》期刊上,二名印度學者詳細解說他們攜手打造蠶繭電池的流程,以及背後的科學原理。[2]

將來蠶繭電池廠商,也可以申請印度絲綢組織的真絲證明嗎?圖/Satish Krishnamurthy on Flickr(CC BY 2.0

蠶繭電池的製作

首先,他們弄來一些印度當地家蠶(Bombyx mori)的繭,攤在陽光下曝曬,以確保裡面沒有活著的蛹。吹掉灰塵後,再把蠶繭儲存在木櫃子裡備用。接著,於 25 毫升的再蒸餾水中,加入 12.5 公克的食鹽(NaCl),然後把蠶繭丟進去浸泡 24 小時。另外,也用雷同的方法,準備分別泡了再蒸餾水和氯化鉀(KCl)水溶液的兩個組別。[2]

(a)每個蠶繭都被切成兩份,做一顆蠶繭電池需要 8 份。[2]

(b)切好的蠶繭內面緊實地套住鋁片;外頭則綑上銅線。鋁是負極;銅為正極。[2]

(c)將組裝好的 8 份蠶繭串起來,放在吹風機和圓底瓶之間。上頭吹熱風;下面供應水蒸氣。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 2)

經過一番測試之後,研究團隊最滿意食鹽水這組的結果,決定再做一個進階版的裝置:他們將蠶繭電池放在熱水壺的壺嘴,並接上 LED 燈泡。熱水大滾,水壺裡冒出來的蒸氣觸發蠶繭電池,燈泡就會發光,像下面影片中看到的模樣。[2] (畫面長寬比例差距過大,建議開全螢幕較方便觀賞。)

安裝了蠶繭電池和 LED 燈的熱水壺。來源:參考資料 2,Supplementary Video S1

蠶繭電池的原理

(a)蠶繭是一層內外結構不對稱的絲質薄膜。圖中黃色代表內面;褐色則為外側。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 9a)

(b)此為蠶繭薄膜切面的局部放大圖。由內(黃色)而外(褐色),蠶繭上面細孔通道的尺寸逐漸變大。[2]這個結構平時的功能,是令水分子和二氧化碳得以快速地排出,但卻只能緩慢地滲入。前者確保蠶繭幾乎防水;後者則避免類溫室效應的發生。[3]

(圖/參考資料 2,Figure 9b)

(c)圓底瓶供應的水蒸氣,被困在細孔通道中。當吹風機為蠶繭加熱,水分子與蠶繭蛋白作用,H3O+ 等電荷載體應運而生。它們會因為通道內外寬窄帶來的水壓不對等,而朝單一方向運動。[2][註]

(圖/參考資料 2,Figure 9c)

(d)鋁和銅基於電負度(electronegativity)不同,也就是吸引電子的能力有所差異,更加劇了方向性移動的效果。[2, 4] 另外,食鹽水能增加電荷載體的濃度,促進蠶繭電池導電的效能。[2]

(圖/參考資料 2,Figure 9d)

吹風機的熱風與圓底瓶的水蒸氣,讓水分子迅速穿過蠶繭的細孔通道,也就是快速充電的意思。[2] 這個乾溼無限循環的靈感,源自蠶繭所處的自然環境。蠶繭通常吊在樹上,樹葉會給它滋潤的水氣,但陽光又導致水份蒸散,二者不斷改變溫度與濕度。然而,當蠶繭被放在攝氏 5 和 50 度的環境下,裏頭還能分別維持 25 與 34 度。[3] 在調節溫度的過程中,從溫差產生電能,便是熱電效應(thermoelectric effect)的展現。[2, 5] 當溫溼度都極高,充飽電的蠶繭就會用類似腦波的信號,通知蛾該退房了。[2, 3] 這也就是蛻變的現象,具有季節性的原因。[3]

(蠶的一生。圖/Internet Archive Book Images on Flickr(Public Domain))

蠶繭綠電建築

蠶繭電池製作起來雖然事倍功半,但是研究團隊寄予它極高的期望。充電靠水蒸氣;導電用食鹽,二者都是地球上容易採集的資源。因此,他們認為蠶繭電池的前景,必然優於目前市售的儲電或發電裝置。是不是純天然蠶絲不要緊,重點是希望未來能夠人工模仿蠶繭的結構,以生態友善的方式,建造會自體發電的生物聚合建築。如此一來,就能輕易滿足偏遠地區、戰略要地以及其他地方的用電需求。[2]

  

備註

原文專業的說法是,內外寬窄不對稱的細孔通道中,水壓梯度會導致電位差,進而使電荷載體出現方向性的運動。

參考資料

  1. Silk Mark – A Quality Assurance label (Silk Mark Organisation of India, 2017)
  2. Jangir H & Das M. (2022) ‘Designing water vapor fuelled brine-silk cocoon protein bio-battery for a self-lighting kettle and water-vapor panels’. Scientific Reports, 12, 13999.
  3. Tulachan B, Srivastava S, Kusurkar T, et al. (2016) ‘The role of photo-electric properties of silk cocoon membrane in pupal metamorphosis: A natural solar cell’. Scientific Reports, 6, 21915.
  4. 電負度(國立臺灣大學 科學Online,2010)
  5. Chandler DL. (2010) ‘Explained: Thermoelectricity’. Massachusetts Institute of Technology.
胡中行_96
65 篇文章 ・ 23 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。