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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高分子類金屬膜! A film that has a metallic sheen, without using metal

金屬的表面光澤常能增加美觀提升質感. 但是金屬因為重量跟價格, 在很多場合只能用容易脫落的表面電鍍取代.現在有公司利用控制奈米結構的方式在高分子膜上作出類似金屬的光澤. 金屬的反射是因為表面的自由電子可以反射全波長的可見光, 而新膜的的原理則類似多層的電介質反射膜的作用, 不同波長的光, 可以被不同厚度跟折射率的高分子層經由干涉而反射, 而達到幾乎全波長光的反射. 展出的材料在100微米內有1000層PS跟PET高分子交疊. 這種膜可如同塑膠被熱壓加工也不干擾電磁波. 可能可以被應用在目前是用金屬或是金屬鍍膜使用的地方, 像是手機或是筆記型電腦上.


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光子晶體能增加太陽電池效能

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl904017t
http://ithelp.ithome.com.tw/question/10046163?tag=ithome.nq

英國和德國科學家最近發展出一種新方法，可來製作包含三維光子晶體的染料敏化太陽電池(dye- sensitized solar cell)。雖然這類元件還無法與目前市場上最先進的太陽電池競爭，但它們可以用來研究光子晶體如何影響弱吸收材料的收光能力(light harvesting capability)，因此將有助於設計出更複雜的光伏系統。

光子晶體是折射率呈週期變化的奈米結構，在部份波段具有光子能隙，影響光子的傳遞，造成某些波長範圍的光可以通過光子晶體，而其它範圍的光則被反射。

目前大多數太陽電池是以矽為活性材料，但效果並不理想，原因是矽需要盡可能的薄，但越薄吸收的光子越少，被轉換成電的光子也更少，結果導致電池效率降低。於是光子晶體能將未吸收的光子重新導向回至矽的潛力，就倍顯重要了。

光子晶體層可以像金屬般直接貼附在太陽電池的背面，目前傳統太陽電池最常貼的是鋁，而光子晶體不僅比鋁反射更多光，繞射後的光會以更小的角度重新進入矽。低角度可防止光逃離矽，增加光被吸收與轉換成電的機會。

劍橋大學的Nicolas Tétreault等人與在慕尼黑科技大學的合作者提出一個新方法，將三維光子晶體並列覆蓋在底層介孔性(mesoporous)二氧化鈦上。以往科學家很難研究光子晶體如何影響太陽電池的功能，因為產生三維光子晶體的化學氣相沉積步驟會堵塞底下介孔。

Tétreault等人先在導電基板上旋鍍一層高分子嵌段共聚物(block-copolymer)及二氧化鈦奈米粒子接著在上面以滲透入二氧化鈦的聚合物微球自組裝成三維光子晶體。在退火處理時，孔洞會形成，而上下兩層的聚合物都會被移除，於是在孔洞底層上方產生三維光子晶體結構。這項技術使孔洞與光子晶體相連。

研究人員表示，他們確實觀察到光子晶體在相鄰介孔層引起的局部共振效應。雖然先前已經有理論預測這種效應，但實驗上還是第一次觀察到。上述太陽電池雖非目前市售產品的對手，不過研究人員現在以經能研究光子晶體如何影響弱吸收材料的收光，而且此概念可以推廣應用至其它光伏技術上。該團隊目前正在研究底層厚度增加對何局部共振的影響。

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太陽能電池轉換極限在哪？

http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/328/5985/1543
http://big5.ce.cn/cysc/ny/xny/201007/06/t20100706_20429069.shtml

《中國能源報》 孫崇泉人-類應如何逐步擺脫對化石燃料的依賴？這是世界各國政府和科學家一直致力於解決的問題。可再生能源無疑是替代化石燃料的首選，而太陽能作為一種易獲得、儲量豐富的可再生能源，是研究人員努力發掘的焦點。然而太陽能電池轉化效率低下卻始終是人類利用太陽能的攔路虎。目前，常規太陽能電池最高轉換效率僅為30%左右。但這一現狀馬上就會有革命性的突破。美國研究人員最近在太陽能電池技術上的新突破可能會讓太陽能電池的轉換效率連跳兩級，從現在的30%直接增加到66%！

　　近日，在《科學》雜誌上，來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的化學家朱曉陽（音譯）博士，通過對半導體奈米晶粒（又稱量子點）的最新研究後表明，常規太陽能電池的轉換效率可由現在的30%的極限效率提高到超過60%。

　　束縛太陽能電池發展原因

　　太陽能電池的轉換效率之所以會有如此飛越，是因為科學家發現了一種可以有效捕獲在常規太陽能電池中以熱能形式損耗掉的高能量太陽光的方法。目前使用中的大多硅太陽能電池最大轉換效率僅為約31%，那是因為太陽光照射在太陽能電池上時，太陽光線中有很多能量太大以致于不能轉換為可使用的電能，這些能量即以所謂的“熱電子”的形式、以熱能的方式損耗。

　　如果這些高能太陽光線，即熱電子能夠被捕獲，那麼太陽光向電能的轉換效率從理論上來說就可以提高到66%。德克薩斯大學材料化學中心的負責人、化學教授朱博士說，他們將轉換效率如此驚人的太陽能電池稱為“終極的太陽能電池”。而要製造出這樣的電池，需要幾個步驟。首先，熱電子的冷卻速度需要放緩；其次，在這些熱電子失去它們所有能量之前，要能夠將其俘獲並儘快地使用。

　　量子點解決難題

　　朱博士介紹說，半導體奈米晶粒或量子點恰好可以滿足上述利用“熱電子”的要求，因為首先量子點可以讓熱電子釋放熱量的速度變慢，這一點在許多研究機構中已經得到證明。在2008年度《科學》雜誌的一篇論文中，來自芝加哥大學的一個研究小組的研究成果表明，在膠狀半導體奈米晶粒中可以確信能夠達到熱電子冷卻速度減緩這一目的。而現在朱博士的研究小組已經解決了這個問題的關鍵第二步，即如何獲得並利用這些熱電子。

　　德州大學的研究發現，熱電子可以由光激勵硒化鉛奈米晶粒中轉移到二氧化鈦組成的電子導體上，而二氧化鈦電子導體目前已經被廣泛應用，十分容易獲取。

　　“如果我們能夠取出這些熱電子，那麼我們可以讓其為我所用。這種熱電子轉移方式的證明，表明瞭高效熱載流子太陽能電池不再僅僅是一個理論上的概念，而同時也具有實驗上的可能性。”朱博士介紹。儘管此次研究人員使用的是硒化鉛量子點，但朱博士表示，他們的方法對其他的量子點材料也同樣適用。

　　朱博士同時提醒人們，這僅僅是科學的一小步，人們還需要更多科學以及工程上的研究才能製造出一個轉換效率高達66%的太陽能電池。

　　另外值得一提的是，目前朱博士等人正致力於解決這一科學難題的第三個方面：將熱電子連接到電導線。

　　朱博士說：“即使我們能從太陽能電池中取出這些熱的、快速運動的電子，但是它們在連接導線上同樣會以熱能形式損失。因此我們下一步的目標就是調整連接到電導線的介面化學特性，以最大限度地減少這部分的額外能量損失。我們希望最大程度地獲得太陽光線中的能量，這就是終極太陽能電池。”整個研究項目由美國能源部提供資金支援。

　　外界反響熱烈

　　朱博士這一技術上的成就也讓整個能源領域眼前一亮。有專家表示，這一進步是十分振奮人心的。相對於化石燃料發電，目前硅太陽能電池的成本過高，在沒有大量的政府補貼情況下，利用太陽能發電的成本偏高。隨著太陽能電池效率的提高，以及與化石能源相對持平或更低的電池生產成本，人類即將提前進入太陽能時代。化石燃料讓人類付出了嚴重的環境代價，研究人員表示，隨著科技的進步，有理由相信50年之內將百分之百地全部利用太陽能。

　　除了可再生能源行業外，即使與可再生能源相對的化石燃料行業的工作人員也為朱博士的研究鼓掌。一位美國石油行業普通工作人員柯蒂斯表示：“作為一個在石油工業及傳統的下游工業時代的受益者，我為朱博士和他的合作夥伴而鼓掌！我們需要進行這種研究，先設置好一個實際的可再生能源目標，然後找出解決擋在前面的難題的辦法。”

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量子容量效率提升 超級電腦新紀元

http://www.nature.com/nature/journal/v465/n7301/abs/nature09081.html
http://mag.udn.com/mag/digital/storypage.jsp?f_MAIN_ID=320&f_SUB_ID=2943&f_ART_ID=256113

量子電腦素有「打了類固醇的超級電腦」之稱，但它的研發面臨難以克服的技術障礙。這種電腦是以分子物理1項反直覺的理論為基礎。

2個分子碰撞時會互相「糾葛」，其中1個會影響另1個，2者分開後，奇妙的連結仍可長時間維持。分子處在量子狀態時也能進入所謂疊加狀態，現今的電腦中，1位元的資料以0或1形式儲存，但在疊加狀態，1量子位元可以是0或1，也可以同時是0和1。

這些結合多倍的狀態能創造大量增加訊息的可能，但唯有科學家找出方法存取及處理這些珍貴資料，且價格可接受，才能實現夢想。根據英國「自然」期刊（Nature）23日出刊的研究，澳洲與紐西蘭科學家報告，他們在量子容量效率提升方面取得重要突破。

先前的技術利用氣體原子作為資料儲存的媒介，傳導則用雷射脈衝。雖成功卻多所限制，資料讀取效率不到17%。新技術利用固態裝置，將資料存在奇特的釔與正矽酸鹽化合物製成的結晶中，效率可提高至69%。

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Laser-induced water condensation in air

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/abs/nphoton.2010.115.html

新一期英國《自然‧光子學》雜志刊登報告說，瑞士等國研究人員發明了這種新技術。其原理是向空氣中發射一種高能量短脈衝激光，它會使照射路徑上的氮氣分子和氧氣分子離子化。這些離子化的空氣分子就成為天然的凝結核，促使水蒸氣凝結為水滴。
研究人員向含有水蒸氣的實驗裝置中發射這種激光，可以馬上觀察到直徑約５０微米的水滴形成，這些小水滴還會進一步合並為直徑約８０微米的大水滴。戶外實驗也顯示，在空氣濕度較高的情況下，發射這種激光可以促使空氣中水滴的形成。
瑞士日內瓦大學研究人員熱羅姆‧卡斯帕裏安介紹說，這一技術目前還處于初級階段，不能馬上用于人工降雨，因為一束激光只能促使其所照射的路徑上形成水滴。下一步研究將探索是否能通過用激光掃過天空的方式，促使水滴在更大面積的空氣中形成。

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細胞的平行介電泳! Playing pong with cells

介電泳,dielectrophoresis, 是一種利用電場梯度對小粒子操作的技術, 現在這技術更上一層樓了! 利用可光控制開關的表面電極陣列, 只要簡單的打上光,控制明暗就可以控制局部的的電場梯度. 利用這樣的技術, 不僅可以大規模平行的操作細胞, 對細胞本身也不會造成傷害喔! 看看影片中展示出的驚人可能性吧!
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結構照明-奈米螢光顯微術! Nanoscope peers beyond the limits of light

科學家尤其是生物學家, 對於利用顯微鏡來看清楚細胞總有無盡的要求. 這影片是介紹一種這一兩年才熟悉運作的顯微鏡技巧, 結構照明顯微術 structured illumination microscopy (SIM). 傳統的顯微鏡解析度受限於光的波長, 而這種技巧是利用了投射有結構的照明在物體上, 因為結構照明的輸入為已知, 只要綜合不同種照明的方式所得到的結果, 就可利用電腦反算物體３D構造, 可以得到以往得不到的解析度. 不過代價就是時間解析度不高. 目前這種技術可以看到40nm的螢光結構, 分辨相差100nm的結構. 影片最後展出的是看DNA在核膜中間的樣子. 影片裡提到或許這樣的技術有機會在活細胞上直接看出哪段染色體上DNA的基因被活化, 幫助了解老化跟疾病.
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如真的3D幻影! Magic Mirrors - 3D Illusions

也許不少人認為在什麼都沒有的空間中投影出一個真實的3D物體有根本上的技術困難, 應該也很少人看過那樣的裝置. 其實這種裝置是存在, 而需要的就是兩個反射式的鏡子而已. 影片中展出的這家公司利用先進的拋光技術, 做出一對反射鏡, 其中一個有孔. 只要把小物體放置在這一對曲面鏡子的中間, 就可以經由那個孔外出現一個像是真實的物體. 看起來就像真的一樣, 不過當然摸不到. 可以看影片展示的效果喔!這種技術可以用在像是珠寶展示上. 原理的話, 是今天晚上的有獎徵答!
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全像光雕! Three-Dimensional Optical Devices

三次元的光雕在科學研究跟實用技術上都很重要, 例如光碟的寫入或是微立體結構的產生, 都可以經由光跟物質的作用來達成. 3D立體水晶相片雕刻也利用了同樣的技術. 但是這樣的技術因為要順序寫入, 所以耗時, 每個成品的成本就高. 這影片介紹了利用飛秒雷射跟全像的方式來達到同時對玻璃多點寫入. 經由對光束空間上相位的調變, 一個光脈衝變的可以同時寫入很多點, 這樣就可以大幅提高光雕的速度. 這樣的技術有助於降低光雕需要的時間跟產品的價格. 雖然構想其實很早以前就有了, 不過之前受限於光源強度跟沒有合適的調變器, 現在兩方面都有進展, 所以這樣的技術就出現了!
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超解析度螢光顯微術! Nature Methods 2008 STEM PALM STORM

螢光顯微鏡可以透露很多生物分子的訊息, 但是畢竟光的波長遠大於分子的大小, 所以在想到得到單分子的影像, 傳統的遠場光學設計常常行不通. 這影片介紹了主要兩種技巧去得到更好的遠場螢光顯微術解析度. 第一種技巧是利用兩道光去激發更小的激發區域, 其中一道普通光束的光負責激發分子, 另一道環型光束的光負責抑制在周圍分子. 利用兩道光就可以有效激發更小的螢光發光區域. 另一種技術是利用追蹤分子運動的重心, 只要讓同時發光的分子不多, 就可以利用追蹤重心的方式定出每個發光分子的位置, 這樣準確度比波長小很多. 累積了很多位置資訊就可以推出整體分子的分佈了. 兩種技術目前的都還出現沒多久, 也許過一陣子很多更詳細的分子螢光圖就會陸續在科學期刊上出現, 說著不同分子的故事!
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先進的 Optical Tweezers

利用光的梯度, Optical Tweezers 可以抓小珠珠. 現在先進的系統一個是多增加了回饋控制,可以達到定力或是定位移的實驗. 另一方面的進步是同時控制多個trap, 用分時的方式或是相位調變的方式. 看看別人展示出來的系統吧!
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光在光學晶體裡的傳播

光學晶體就是有週期性排列的小粒子,因為有週期性,跟光的作用就很規則,就有巨觀的效應可以被看到. 像甲蟲閃亮亮的殼就是. 看看模擬的過程來想像一下吧!
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寫出來的光學晶體 Photonic Crystal

利用脈衝雷射,UV膠跟步進馬達-大家都可以寫出自己的光學晶體喔!! 就是這麼簡單!
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在光鑷子(optical tweezers) 下長大的蛋白質結晶

蛋白質結晶讓X ray可以幫蛋白質定3D結構成為可能. 看看小蛋白質怎麼長大的. 主角是lysozyme(最容易長的蛋白). 雷射幫助結晶還不是很清楚為什麼, 有的說光壓, 有的說局部對流, 不過如果別的比較難結晶的也可以用這種方式才有用. lysozyme太簡單了! 這種結晶也長不到多大..有點可惜...
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單分子螢光 actin/myosin

F-actin 就是肌動蛋白纖維, 在我們的肌肉裡很多, 也是細胞骨架的一部分, 所以在一般細胞也不少. 這東西很小, 直徑才8nm, 但是經由螢光染色後的F-actin就可以被螢光顯微鏡看見了. F-actin跟 myosin有滑動的主動運動, 所以把染了螢光的F-actin放在myosin附著的玻片上, 就可以看到這滑動了,看起來就像小蟲一樣 :)
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自由電子Ｘ光雷射

ＳＬＡＣ國家加速器實驗室現在有了最好的自由電子X光雷射了.一般的雷射產生必須有一定的條件, 必須先激發介質再利用激發後釋放的光去引放射, 而把同樣的光一起放出來, 所以雷射有很高的調調性. 但是自由電子是利用磁場對電子加速而放光, 理論上能加速多快就能得到更短波的光, 現在已經有X光的了喔. 這是一種很大的裝置常常要很大的維持經費, 但是這種光源對很多科學研究像是蛋白質晶體學是很重要的工具, 利用好的X光源才可以有高解析度的來解結晶影像喔!
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