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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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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寫出奈米碳管彈簧! UV-DW (Ultraviolet-Assisted Direct-Write) fabrication of a microspring

之前介紹過複合材料, 利用高分子跟碳纖維來自己動手作成零件. 這次要介紹的是利用CNC機器跟光的幫助, 直接設計出小的奈米碳管高分子複合彈簧. 原理很簡單就是把碳管跟感光高分子的混合物從寫頭擠壓出來, 然後即時用紫外光照射使之硬化(影片中那些管子就是提供UV的光纖）.　 因為碳管有很高的材料強度, 固化之後,　碳管被高分子緊緊結合, 整體的材料強度就會比一般光硬化高分子來的好.　這種技術可以做出很特別形狀的物體,　應該合適用來做一些特別的元件,其實這樣的光固化寫出技術在之前有用再像是做列印浮雕或是簡單的３D列印, 現在因為UV　LED的發展很快, 類似的技術也可以用廉價的方式達成, 不在需要昂貴的水銀燈. 這次用了奈米碳管複合材料應該會讓這種直接寫出光硬化的技術因為材料強度的增加而有更廣泛的用途.

學術文獻
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鯊魚的表面跟感染防治! Surface Technology Designed to Prevent Hospital Acquired Infections

在醫療上如果能夠防止在醫院的細菌感染可以幫助很多免疫不好的病人. 現在一般的抗菌方式不外乎是利用殺菌藥品處理表面, 使用可自動釋放藥品的表面, 或是利用表面的奈米顆粒的催化性質殺死在上面的細菌. 這影片介紹利用仿鯊魚的表面而做的表面貼紙. 因為鯊魚皮膚表面有很多特殊花紋的微結構, 這些微結構會使得細菌很難附著, 因為難附著, 產生生物膜的機制也會被抑制. 只要把有這種這種微結構的貼紙貼在不同人容易觸摸的地方,　像是把手或是水龍頭, 就可以減少人間經由共同觸摸而傳播的細菌. 這樣的科技或許還能用在其他像是水管這種有生物膜危害的地方. 另一方面, 也許不同的還生物發展出更多種的表面在做更多事情, 就等科學家去發現了.

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陪電波跳舞的單奈米碳管天線! Real single nanotube radio plays Layla

在每個家庭都有很多不同種類的天線, 用來接收不同的頻率的電波訊息. 一般的天線大概就是靜靜地保持某個合適的姿勢來接收電波, 讓電波引起的電場在天線上共振. 這樣的共振的電子訊號在被解譯成各種資訊. 但是, 在很小很小的尺度上, 電波引起的天線電場的震盪是看真的會讓天線跳起舞來的. 這種電場跟機械震盪的偶合, 現在在單個奈米碳管所構成的天線上被紀錄到了! 影片中細細的那條東西, 就是在電子顯微鏡下的奈米碳管. 一開始的時, 這奈米天線找不到電波的頻訊, 所以就不動, 後來影片傳出歌聲, 表示找到電波的頻率. 開始接收電波以後, 電波引起的局部電場變化 讓整個奈米碳管都動了起來. 所以再聽到音樂的同時就看不到奈碳管, 因為他正在快速震盪. 換句話說, 奈米碳正跟著要接收的電波一起跳舞的呢!

相關文獻
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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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德國研究非晶體金屬材料取得進展

http://www.nature.com/nmat/journal/v9/n6/abs/nmat2767.html
http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/news.xinhuanet.com/world/2010-06/16/c_12226233.htm

新華網柏林６月１５日電（報道員周谷風）德國萊布尼茨固態與材料研究所１５日發表公報說，該所研究人員成功改造了一種非晶體金屬材料，使其既保持了原本的優點，又具有較強的可延展性。

金屬通常是晶體。如果使金屬熔體在瞬間冷凝，使金屬原子來不及排列整齊就被“凍結”，就能產生具有玻璃性質的非晶體金屬，俗稱“金屬玻璃”。這種材料具有玻璃耐銹、耐腐蝕的特點，強度可與陶瓷媲美，其較輕的質量更令其在航空等領域具有優勢。但是金屬玻璃較脆，無法承受拉伸負荷。

研究人員以銅鋯合金作為研究對象。這種合金具有特殊的“記憶”特性，即在外力下產生形變後，在特定溫度下又會恢復到原來形狀。研究人員對非晶體銅鋯合金進行改造，使其更堅固、可塑性更強。

這一成果發表在最新一期《自然‧材料學》雜志上。

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槐葉萍“超級疏水性”的奧秘 The Salvinia Paradox: Superhydrophobic Surfaces with Hydrophilic Pins for Air Retention Under Water

http://www3.interscience.wiley.com/journal/123393824/abstract

新華網柏林５月４日電（報道員周谷風）德國波恩大學４日發表公報說，德國科研人員發現了人厭槐葉萍“超級疏水性”的奧秘。如果給船體刷上具有類似疏水性的倣生涂層，可大大降低船只行進過程中與水的摩擦，從而節省燃油。

　　人厭槐葉萍是一種浮水性水生植物。這種植物極不易被水沾濕。把它浸入水中，再取出，上面挂的水珠馬上就會全部滴落。更準確地說，它在水下根本就沒有被真正浸濕。在水下時其葉片表層會形成極薄的一層空氣膜，從而避免葉片與水直接接觸。材料學家稱其為“超級疏水性”。

　　波恩大學植物多樣性研究所等機構的研究人員發現，人厭槐葉萍的表面有許多叢生的放射狀微茸毛，而這些茸毛的尖端十分親水。入水後，這種植物能夠將水分子鎖定在茸毛尖端，令尖端到葉面的空氣層得到有效保護。

　　研究人員認為，效倣人厭槐葉萍表面結構制造新型涂層將會有廣闊的應用前景。以船運為例，目前船只的驅動能有一半以上被船體與水的摩擦消耗掉了。如果能通過特殊涂層在船體表面形成空氣膜，船與水摩擦而造成能耗則能降低１０％，因而可以大量節省燃油。此外，這一技術還能用于制造速幹浴衣等方面。

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Polyethylene nanofibres with very high thermal conductivities

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這篇文章是討論聚合物的導熱係數跟結構的關係, 發現在奈米纖維的時候有很高的導熱率. 這種性質也許在一些衣服上有機會用到. 或許有機會做很涼快的衣服. 如果人可以控制衣服纖維的形式.
http://www.nature.com/nnano/journal/v5/n4/full/nnano.2010.27.html

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DNA摺紙術! Structural DNA

DNA是生命的的遺傳物質, 有著特殊的化學特性可以儲存各種需要的序列. 現在科學家開始利用DNA來產生各種微小奈米結構. 原理很簡單, 利用混合兩種DNA就好了. 這兩種DNA, 一種DNA比較長, 可以想像成長長軟軟的鐵條, 一種比較短, 可以想像成是小磁鐵. 當把這兩種混合起來的時候, 小磁鐵就會把長長的鐵條在某些地方接起來 (因為DNA可以經由序列互補結合) 變成特殊的構造, 然後DNA製我組裝的奈米結構就大功告成了.這種技術從數奈米到約一百奈米左右的結構都可以做. 雖然不如蛋白質有多樣化的功能, 不過這種DNA做成的結構還是可以跟一些蛋白質或是DNA結合作用, 或許可以用在生物晶片上, 更重要的是這種奈米構造可以經由簡單的電腦設計跟PCR大量生產, 不需要昂貴的半導體製程喔!

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玻璃包覆的的螢光量子點 ! fluorescent glass beads incorporating nanocrystals

半導體的螢光量子點 (quantum dots) 因為螢光強度穩定不會被光漂白, 在生物研究上有很多用途-目前主要用來追蹤螢光標定物在細胞內的分布. 但是常常這種螢光量子點的表面對細胞有毒性或是親水性不夠需要額外的化學修飾. 現在日本開發出一種利用玻璃包覆半導體螢光量子點的技術, 可以把這些螢光量子點包在小玻璃珠裡面. 這樣一方面降低可能的毒性或是增加表面化學修飾的空間, 但是相對的體積也就比傳統的量子點大些, 不過比起傳統的高分子螢光小珠珠來, 還是比較穩定. 這種東西一方面可能用在生物研究, 一方面也可能用在螢幕的表色或是光能轉換上. 類似這種新的複合材料目前有很多研究, 將來或許能替人類解決很多問題!
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奈米水膠材料 ! Nano-composite Hydrogels

越來越多的複合材料顯現出更好的機械與生物相容性質. 看看這個日本公司推出來的奈米複合水膠. 一般的水膠是類似果凍一樣的東西, 很軟卻沒有韌性. 現在把固體的奈米材料跟高分子混在一起以後, 除了本來高分子之間的作用力之外還多加了奈米粒子跟高分子之間的作用力. 這樣一強一弱的作用力讓這種複合水膠不只軟還很韌! 這樣材料預計有很多醫學上的用途, 像是做培養基或是傷口的覆蓋材料. 希望更多更好的複合材料可以出現來造福人類, 可以參考一下喔!
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磁珠墨水 變色! Magic ink takes on any colour

一般知道的顏色是利用光的吸收或是反射, 現在南韓開發出了一種新的可變顏色墨水. 這種墨水是把磁性奈米粒子加入樹酯中, 利用外加磁場後在墨水中的奈米子粒子會照磁場排列, 而不同強度的磁場會讓奈米粒子的間距有所差異. 這些有規則排列的小磁性奈米粒子就相當於光子晶體, 不同的間距的晶格會反射不同波長的光而有不同顏色. 這種新的動態產生顏色的方式應該會有商業上的應用的, 或許不久就看到了喔!

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壁虎腳上的秘密 Geckos inspire experimental adhesive

壁虎可以用任意的角度在牆壁上爬來爬去, 現在壁虎腳上的秘密已經被用來做成新一代的黏著材料了. 壁虎是靠著腳上的小細毛, 依造不同的施力角度可以黏住還是放開表面. 科學家利用在矽晶上長上奈米碳管而得到了同樣的功效! 影片中那小小一片在平行貼附的情況下可以承受到一公斤多! 這樣的技術對防滑鞋還是手套的功能都有很大的幫助. 嗯..要謝謝犧牲在研究上的壁虎喔!
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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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