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新陽極技術使電池快速充電

only-perception
・2011/11/08 ・1079字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

次世代電池成份中的一項突破或許來自一種特殊的材料,隨著時間過去,其結構會轉變成表現得更好。

一個來自美國能源部 Argonne 國家實驗室的研究團隊(由 Argonne 奈米科學家 Tijana Rajh 以及電池專家 Christopher Johnson 所領導)發現,當電池經歷充電循環(cycled)後,由二氧化鈦所組成的奈米管,能轉變它們的相(phase),逐漸提昇它們的可用容量(operational capacity)。實驗室測試證明,這種新電池,在不到 30 秒內,能重新充電至其原本容量的一半。

藉由將傳統的石墨陽極轉換成鈦奈米管所組成的,Rajh 以及她的同僚目擊了一種驚人的現象。電池在經歷過數次充電與放電的循環後,其內部結構開始以某種能大幅改善此電池效能的方式,自行確定其排列方向(began to orient itself)。

“當我們開始研究此材料時,我們並不預期這件事會發生,但陽極自發性地採用最佳結構,” Rajh 說。”此系統內部有種可塑性,當電池經歷充電循環後,允許它改變。”

根據 Argonne 奈米科學家 Hui Xiong(她與 Rajh 合作開發新陽極材料)表示,二氧化鈦看起來似乎不太可能會完全取代石墨。”我們從某種材料開始,我們未曾想過那會提供某種有用的用途,可是它卻轉變成某種東西,那賦予我們最棒的可能結果,” 她說。

Rajh 小組中的另一位研究者,Sanja Tepavcevic,亦採用類似方法為某種鈉離子奈米電池製造出一種自我改良的構造。

“這是一種高度不尋常的材料行為,” Jeff Chamberlain 補充,他是 Argonne 化學家,他領導實驗室的能源儲存主要倡議。”我們看見某種奈米級相變,從科學的觀點來看,那非常有趣,而且對這些材料的行為有更深入的理解,那將能解開用於電能儲存系統中的材料之謎。”

根據 Rajh,二氧化鈦似乎像是電池開發中,一種難以置信的解決方案,其理由在於此材料的非晶(amorphous)本質。因為非晶材料沒有內部秩序(internal order),它們缺乏高度有序的結晶材料的特殊電氣特性。然而,非晶材料在充電循環期間,不曾被人知道會經歷過如此深刻的結構轉變(structural transformations)。絕大部分已知的電池材料都經歷過相對轉變(opposite transition):它們從高度結晶化開始,然後隨著充電週期過去,碎裂成非晶態。

二氧化鈦而非石墨的陽極組成亦改善鋰離子電池的可靠性與安全性。在某些例子中,鋰會脫離溶液並沈積在石墨陽極上,引發一種危險的連鎖反應,稱為熱散逸(thermal runaway,熱耗散)。”我們在鈦陽極進行的每一類型測試都證明,它們超級穩定,” Chamberlain 說。

這項 Argonne 發現來自於該實驗室二種旗艦級使用者設施:奈米級材料中心以及先進光子源。結合尖端奈米組裝技術與高強度 X 光以特徵化奈米管,Argonne 研究者從而能迅速觀察這種不尋常的行為。

資料來源:

  1. PHYSORG:Batteries get a quick charge with new anode technology[November 3, 2011]
  2. ARGOON:Batteries get a quick charge with new anode technology

轉載自only-perception

文章難易度
only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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