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.
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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.
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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.

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聰明醫學繃帶! Smart bandage

簡單的物質如果能夠賦予根據環境而反應的功能就可以變成智慧材料. 繃帶跟紗布是醫療上很常使用的東西, 特別是在覆蓋傷口上. 這影片介紹一種目前正在研究的智慧繃帶, 這種繃帶上有很多奈米膠囊. 當這種膠囊的表面接觸到細菌分泌出來的毒素的時候, 微膠囊就會破裂, 裡面所含的染料跟抗細菌的藥物就會釋放出來. 一方面利用顏色讓醫療人員知道這區域有能有感染, 一方面也同時抑制感染的發生. 其實因為在皮膚上有很多共生的細菌, 對皮膚的功能有幫助, 這種只針對有害細菌毒素反應的繃帶或許能讓傷口的回覆更好, 幫助像燒燙傷那樣大規模皮膚受到傷害的病患.

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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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單原子量子計算! Silicon Quantum Computer Research

因為要把更多的處理能力做到更小, 更便宜的裝置裡, 計算機的發展總離不開微小化的技術. 根據目前的縮小趨勢, 在很快的未來, 人類可能就會利用到數個原子,甚至單個原子作為計算的處理單位. 所謂的計算是把要處理的問題投影到特定的物理過程, 經由讀取物理過程的結果, 解譯成答案. 所以用珠算或是電腦基本上都是這樣的過程. 根據這樣的邏輯, 任何物理過程或是生物過程, 只要能合理的被投影跟解譯, 都可以當作計算處理的核心. 目前的計算主要是利用半導體物理. 因為縮小化, 也許不久的未來就會把計算過程投影到單原子的量子物理. 這樣的投影跟解譯的過程, 需要發展很多技術. 像是計算問題投影到量子物理過程的邏輯對應, 還有輸入輸出資訊也必須變成是對量子狀態的設定跟控制跟讀取. 這一整個過程在目前都還沒有成熟的技術, 很多可能的途徑也都在研究中. 這影片介紹一種利用Si原子磁性來作為計算單元的方式. 雖然不一定會有用, 不過這樣的研究可能會引導發展以後量子計算所需要的技術.


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多孔性金屬射出成型!Porous Metal

不同的材料有不同的特性,像是塑膠輕便容易製造, 金屬沉重, 但是強度跟導熱都很好. 其實除了材料本身的特性以外, 很多的材料的巨觀特性其實是來自於微觀的構造. 這影片介紹一種金屬的成型方式, 可以製造出各種形狀的多孔性金屬. 原理很簡單, 把金屬粉末跟一些接著材料混合的物質射出到要成型的模具上, 然後引發一些化學反產生微觀孔狀結構, 最後再高溫燒結, 把那些額外的接著劑跟化學反應物都排除. 這樣多孔性的金屬元件就做好了. 這種材料一方面有接近金屬的強度跟導熱性質, 一方便又比較輕. 更重要的是這些多孔性金屬可以容納其他的材料, 像是可以做香水的容器, 或是化學反應的表面, 其實有很多可以利用的特性. 或許漸漸這類的材料會越來越多喔!


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病毒電池! Virus Battery

電池是很多目前隨身電子用品發展的瓶頸, 相對於電子元件的進步, 電池進展卻慢的多. 要構成好的電池, 除了選對材料跟化學反應之外, 最重要的就是控制微觀的結構,可以在同樣的地方進行更多的反應或是讓反應都順利進行. 這影片介紹利用病毒當作金屬材料模板的方式來建立電池的微結構. 首先利用DNA序列篩選可能會跟金屬有作用的嗜菌體, 然後利用細菌來放大這些病毒的量, 在過程中添加各種合適的金屬. 然後某些病毒就會把這些金屬材料在自己身上組裝起來. 因為病毒的大小很小, 外觀也很有規則, 這種方式有可能可以產生很多一些其他方式難以產生的奈米結構, 或許有機會當作新一帶電池的材料!


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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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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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美科學家研發"晶片肺" 或可終結動物實驗

http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/328/5986/1662
http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/www.yn.xinhuanet.com/newscenter/2010-06/26/content_20175131.htm

據 6月25日出版的《科學》雜志報道，美國科學家們制造出了一塊如橡皮擦大小的“晶片肺”，它可模倣那些穿過整個肺臟的上皮細胞和血管之間邊界的許多特徵，這一係統或可幫助研究人員非常精準地了解肺臟器官的運作方式，而這些信息是很難從細胞培養或動物研究中獲取的。研究人員表示，“芯片肺”可望用于檢驗新藥效果以及人體肺部毒素影響，並終結這些測試所需的動物實驗。

哈佛大學維斯生物工程研究院的研究人員利用血管細胞制成的“晶片肺”由肺細胞、滲透膜以及毛細血管組成，類似于網孔的滲透膜上排列著人體細胞（一邊是肺部細胞，另一邊是血液細胞），滲透膜組成的微通道約400微米長，70微米寬（人的頭發絲的直徑約為100微米），可允許空氣或液體圍繞著膜流動。當該芯片同一個機械泵和調節閥連接時，它可以模擬人體肺部的呼吸活動。

研究人員已經證明，這種“晶片肺”能夠精確地模擬大鼠肺臟的很多功能，包括肺部吸入納米粒子後作出的反應等。

目前的藥物測試技術主要有兩種：一是使用過于簡單化的細胞培養模式，這種方法是在一個固態的塑料器皿中培養細胞，接著讓其接觸不同的藥物，並測試其反應；二是使用動物實驗，科學家使用老鼠來測試藥物的有效性和安全性，但這種方法耗時耗力。

研究人員表示，為了模倣人體肺部細小而精確的通道，他們利用了電路制造工藝創建出了一個計算機微芯片，這種微觀結構使研究人員得以更好地操縱活體生物比如細胞等。該研究成果對于在實驗室中重建人體細胞具有非常重要的示范意義，亦可通過減少對現有模型（對單一物質進行測試的費用就超過 200萬美元）的依賴而加速新藥開發的進程。

哈佛研究人員目前正在研發其他的“器官晶片”，諸如腸、心臟和腎等，他們希望最終能夠將不同的器官集成在芯片上，以在藥物測試和毒理測試中徹底摒棄動物實驗。

不過，研究人員指出，要做到這一點還面臨著很多的困難。比如，如何使芯片的使用更為方便，如何將泵和調節器整合入芯片中等，還都是亟待解決的問題。（劉霞）

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壓出來的玻璃鏡頭! Optical Technology Using Imprinting

傳統上的鏡頭是利用有弧度的表面來控制光的折射, 但是也有另一類的鏡頭是利用微小結構來達成, 像是一些平面同心圓的放大鏡. 一般來說這類的技術是用壓鑄來達成, 這也限制了只能用在比較軟的材料上, 像是塑膠或是高分子. 這影片展出了日本最近發展的技術, 同時改進了玻璃的材料跟壓鑄母版的材料(使用SiC), 讓直接在玻璃上壓鑄成型變成可能. 影片中展出的是壓出來的抗反射膜. 不同於一般的多層電介質鍍膜, 這種抗反射膜只有玻璃本身而已, 卻也能達成一樣的效果. 由這可以看出這技術的可能性. 如果這些直接對玻璃壓鑄的加工方式成熟了, 以後光學鏡頭就有可能變的更小更輕也更便宜!

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奈米碳管跟石墨烯的結合! New Carbon Composite of Nanotubes and Graphene

奈米碳管被發現以來就被寄與很多的期待, 像是強韌的機械性質或是很高的導電度. 但是其實研究人員也漸漸發現單獨的奈米碳管能做的功能有限, 常常需要其他材料的配合. 這影片是介紹日本富士公司發現的一種新的碳奈米結構, 這種結構包含了平面的石墨烯(Graphene)跟一維的奈米碳管. 因為石墨烯在平面的方向有很好的導電度而奈米碳管在垂直方向有很好的導電度, 兩種材料的結合使得三維的導電成為可能. 平面的石墨烯也可以扮演奈米碳管接頭的功能, 讓其他的訊號或材料容易連接碳管. 這種結構是意外發現的, 相信有更多可能的組合結構還沒有被發現. 或許在導電,　導熱或是作為元件上都有發揮的空間.
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學術文獻
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DNA 電晶體與定序! IBM DNA Transistor

現在DNA定序的速度越來越快了, 也因為這樣研究人員有越來越多的DNA序列去研究生命的過程. 但是對DNA定序於用在個人醫療上, 例如要幫每一個人定序然後利用每個人獨特的基因來決定醫療過程跟合適的處方藥物. 因為價格的原因, 這在目前仍是一個夢想. IBM利用半導體的技術, 做出很小的奈米孔道, 再利用電場來讓DNA穿過這孔道來對每個鹽基定序. 操作是利用直流電泳跟交流電泳來達成. 當序列通過孔動時能利用電訊號直接讀取鹽基種類. 這類的研究有不少的研究群在做. 科學家希望發展出一種很便宜的定序方式, 讓DNA定序變成便宜而且每個人幾乎都負擔的起. 這樣的研究目前仍在起步階段, 不過定序會越來越便宜是一定的趨勢, 希望個人醫療的那天真的能到來!
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細菌風扇! Bacteria-powered fan

現在利用能源的方式有很大一部分是利用燃燒發電, 再利用產生的電去驅動電器. 可是燃燒中很多的能量都浪費在廢熱上了, 熱機有一定的理論效率. 有更好的方式嗎? 難道電器不能像動物一樣吃食物然後慢慢放能就好? 為什麼一定要燃燒發電呢? 當然很多的燃料電池都正在研究中, 希望在比較溫和的情況下做高效率的能量轉換率. 不過燃料電池常常只能接受很固定的燃料, 像是純的甲醇之類的, 沒法餵食物就好.. 來看看這個用細菌轉換能量的研究吧! 只要把會分解糖分的細菌放在糖水裡, 這種特殊的細菌就會產生氫氣, 然後再送去燃料電池發電, 風扇就這麼轉了起來了!
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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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液滴DNA晶片! DNA Lab on a Chip

最近的生物晶片除了被動的功能(雜交)以外, 有主動功能設計的越來越多了. 看看這款Duke設計的液滴晶片. 利用控制晶片表面電壓驅動液滴的分離聚合跟運動. 看展示是利用Luciferase 去偵測經過 s 位置後的四種液體依照DNA互補程度的不同所造成的差異, 用發光的程度來替DNA定序. 似乎可以全自動定序..可惜影片沒有更多的細節了. 用這種方式來搬運混合液體做實驗看起來很炫!
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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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血球 我看到你了! imaging of individual blood cells

怎麼樣清楚的作血管造影一直是很重要的問題. 例如像是在糖尿病, 末端的血管病變監測對病人的病程提供了很重要的資訊. 現在利用附著螢光粒子到紅血球上再用紅外線加以激發, 利用紅外線比較容易穿透皮膚的特性, 就可以清楚看到一個一個血球在血管裡是怎麼樣流動的了. 以往只能看到很淺表的一層, 利用這種方式, 影片展示的可以看到比較內部的血管喔! (這影片是在兔子的眼球內側)
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枕頭機器人 打掃吧 ! Cleaning robot, Wiping Cleaner

利用先進的奈米材料, 新型態的機器人又出現了. 這次是利用奈米纖維作為清掃的主要工具, 這種奈米纖維可以穩定附著表面移除污垢, 而機器人的移動方式也利用了這個特點, 採用毛毛蟲曲體爬行的方式, 慢慢的走過不乾淨的地方而使之變乾淨. 這機器人還配備了偵測清潔程度的感測器跟打掃完自己移動到充電座上的本事. 也許哪天這小東西就會真的進入家庭了!
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