超吸水布的秘密武器 :分子水牢! Sodium Polyacrylate 聚丙烯酸鈉

對水或液的體處理跟生活一點都分不開,市面上有賣一種超級吸水布, 不管什麼液體只要一碰就會被吸到布裡面去, 同樣的原理也用在尿片跟衛生棉上. 其實主宰這種性能的是一種分子層次的水分子牢籠設計, 同時運用了物理跟化學作用來達成的. 一般對水的吸收有兩種機制, 一種是利用對水親合的化學分子基團, 另一種是利用物理的滲透壓讓水自己跑到高濃度的地方(利用"亂度"(熵)增加). 這影片展示的就是把水加入聚丙烯酸鈉Sodium Polyacrylate 後, 這種高分子把水抓入自己內部的網狀構造後自己膨脹起來的樣子.

上圖聚丙烯酸鈉Sodium Polyacrylate, 可以看到這種高子聚合物加水之後一方面把金屬鹽離子放出, 內部的滲透壓上升,因為高分子鏈上帶有相反電荷, 所以這些金屬離子只能在高分子聚合物內部, 一方面鏈上也有親水的基團. 這樣一來保證水接觸以後, 水就會因為為了增加亂度跟降低化學能, 進入這種網狀高分子的內部. 影片中可以看出吸水後膨脹的體積遠大於水加高分子聚合物的體積, 這說明了本來攤陷的高分子聚合物在加水之後,因為分子鏈有交聯, 內部會自己產生很多立體的結構作為水牢, 所以這種高分子可以吸收數百倍自己體積的水, 也因為這種精巧的設計, 才讓超級吸水材料能被實現.


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大家一起撕出石墨烯! What is Graphene?

今年的諾貝爾物理獎給了用膠帶撕出石墨烯的研究, 一方面說明這種材料在未來很可能影響我們的生活, 一方面也說明了其實有好的想法, 真正的科學不一定只是在昂貴的儀器裡才能被發現跟研究. 石墨烯因為完美的平面結構跟電子共振結構, 在電性上不同於傳統的導體電子總是被撞來撞去, 石墨烯上的電子像是可以在平面上自由移動一樣,所以很大的導電性跟導熱性,在理論上的理解需要量子物理, 不過也因為這樣有很多可能的應用. 這影片介紹碳的各種結構,從鑽石, 富勒烯到奈米碳管. 然後也同時介紹怎麼用膠帶撕出石墨烯, 因為石墨層間作用力小,當利用膠帶對黏再撕開時就有機會把一層層的石墨層分開, 最後可以剩下單層的石墨,也就是石墨烯. 因為單層的石墨烯很透明, 當初利用這種方式製備的研究人員把石墨烯放在特定厚度的氧化矽上, 利用干涉來初步確認單層的範圍以便量測性質. 最後膠帶其實是一種神奇的研究工具, 不僅可以撕出石墨烯, 之前也介紹過可以撕出x光喔!


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不結冰珠的表面! Design of Ice-free Nanostructured Surfaces

雖然台灣很少有雪, 也沒有冰風暴, 但是在寒冷的國家, 怎麼讓表面不結冰是很重要的問題. 一般的方式有利用對表面加熱或是利用甘油,鹽等物質來除冰. 這些方法不是耗能就是會造成環境污染. 下面的影面介紹在不同的表面其實水珠結冰的過程非常不一樣. 現在的奈米科技可以藉由控制表面的微結構來控制疏水性. 影片是用10000FPS拍攝的水珠滴落30度斜面的表面上結冰的過程. 在一般的表面, 當水珠攤平的時候就同時結冰了, 在疏水性的表面會在水珠回聚之後才結冰, 如果是超疏水表面水珠就直接彈走不結冰. 這研究展示不同的表面怎麼影響熱傳跟水珠的結冰過程, 以後或許可以用在汽車或是房屋上來控制結冰的程度.
學術文獻
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點燃奈米熱劑! Nanothermite combustion

奈米材料的很多不同物理性質都被注意到了, 不過除了物理性質以外, 奈米結構也可以幫助控制化學反應. 一般所謂的熱劑(thermite) 是把還原性高的金屬,例如鋁, 跟氧化劑混在一起, 當燃燒的時候就會放出大量的熱, 可以用來作為煙火的材料或是軍事用途. 奈米技術成熟之後, 裡面的顆粒也都奈米化來增加反應速率, 讓反應可以更快進行,也就是所謂的奈米熱劑(Nanothermite). 但是這樣一來也讓這樣的材料變的很不穩定, 容易被外力震動點燃, 增加危險. 這影片是研究奈米熱劑的燃燒影片, 大約直徑4mm的小片奈米熱劑錠被7W的二氧化碳雷射點燃的樣子. 用1000FPS 快速攝影機拍的. 特別的是這種材料中的氧化劑是被裝在奈米碳管類的容器裡. 所以可以增加平常時候的穩定性. 讓這類的熱劑更安全一點.
學術文獻
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奈米結構聚光! Light Concentration at the Nanometer Scale

光是一種電磁的波動, 當要傳播到遠處的時候一些震動的模態會傳不出去. 相對的這樣效應也會在遠方的光源要在某個位置重建的時候發生 ,光的傳播會因為失去某些模態的資訊而不能完全還原, 這是所謂的繞射極限的一種理解方式. 因為這樣, 在目前有一類的研究是研究光在近場的行為, 因為這些局部的電磁波動一方面有很多可能的應用, 像是拉曼訊號的放大或是螢光的放大. 另一方面了解局部光的行為可以做出有特殊性能的材料, 像是利用奈米結構做有特殊光學性質的介觀材料. 目前在光電池上已經有些可能的應用. 這影片是介紹利用像是星星形狀的奈米金膠體粒子在尖端聚光的行為. 前幾年的研究顯示當兩個金屬奈米粒子很靠近的時候, 兩個粒子間電磁場會增強, 因為金屬上的電子會產生很多有趣的震動方式. 研究人員製造出了星星的奈米金以後, 發現再尖端也有類似的反應. 影片中是利用兩個在分子兩端的硫原子把金表面跟星星奈米金接起來. 這樣一來中間有很特殊的光學共振結構, 所以中心間分子的拉曼訊號就會被放大. 這樣技術或許在生物分子檢測上用的上.


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