進入實驗室


31 Aug, 2011

日常生活中,有許多現象非常有趣但令人迷惑。

科學家經由觀察、假設與實驗而解開了像上面這樣許多自然界的奧秘,並且改善了人類的生活。

在國中理化課程中,我們將會學習到各種不同的實驗!

常用化學實驗儀器使用說明

洪 雪真 | 我要回應(332)

川震 板塊內古斷層 千年一動超致命


21 May, 2008

四川規模8.0的地震釀成幾十萬人死傷,災民處境引起全球關切,也讓台灣人不禁想起八年前的九二一大地震。

921、川震 受力方向相反

中央研究院地球科學所研究員黃柏壽指出,這次四川地震與九二一都是由於板塊擠壓的力量造成的逆衝斷層,但兩者屬於不同的應力系統、受力方向相反。

台灣地處歐亞板塊與菲律賓海板塊之間,九二一地震是南投丘陵沿著車籠埔斷層「由東向西」逆衝到台中盆地上。

四川地震則是出自印度板塊擠壓歐亞板塊。這股「由西向東」的力量,讓青藏高原東側的松潘-甘孜地塊沿著龍門山斷層帶,逆衝到揚子地塊上。

國家地震工程中心副研究員張道明解釋,印度板塊擠壓歐亞板塊,所產生的能量與被推動的地底物質需要找到出口,因此推升出喜馬拉雅山、青藏高原,這股力量至今仍在進行。

就位置上來看,台灣處於兩個板塊的交界處,斷層錯動造成地震的機會頻繁,容易發生「板塊邊緣型地震」;而四川地震的震央汶川則位於歐亞板塊中,屬於「板塊內地震」。黃柏壽表示,地震是一種能量的釋放,當地塊承受的能量超過臨界值,就會變形而破裂。

台灣地震多 能量難累積

黃柏壽說,在九二一大地震前,大家都不認為車籠埔斷層會發生大地震,因為很多老的斷層長時間沒有活動,早已被視為「不活躍」;但這些老斷層的結構其實是「鎖得很緊」,平常不輕易會發生地震,「但是不動則已,一動則會非常驚人」。

中研院地科所副研究員趙里解釋,有些較軟、較鬆散的斷層比較容易釋放能量,而結構較堅硬的斷層,則需要累積到較多的能量後才會破裂。就如台灣,因地震活動頻繁,地層已經錯動得很混亂,所以能量不易累積。

趙里以唐山大地震為例,當地是古老而堅硬的地層,可以蓄積承受很大的能量。因此,在唐山一帶要發生這麼大地震的周期,可能需要數千年的能量累積。

印、歐板塊 擠壓力量大

而四川汶川離印度板塊與歐亞板塊的交界處很遠,先前大家都認為能量傳遞到此需要很長的時間,且當地斷層「被鎖住的範圍大」,發生大地震的機會相對較小。

但黃柏壽強調,兩個板塊的面積規模相當大,彼此擠壓的力量也非常大,就算是斷層的位置在板塊內,一旦擠壓還是會嚴重受迫。

台灣大學地質系教授陳于高也提到,地震規模的大小與斷層系統的大小有關。

台灣車籠埔斷層的破裂面約一百公里,四川地震龍門山斷層將近三百公里,所以產生的威力也比九二一大了好幾倍。

 

【2008-05-21/聯合報/C4版/文教】

洪 雪真 | 我要回應(11323)

藉助純矽球體 德國科學家將重新定義公斤


16 Apr, 2008

(法新社柏林十四日電) 如果你曾希望浴室磅秤磅錯,一項德國研究計畫也許很快就能帶來好消息──或是壞消息也不一定,因為這項計畫即將提供更正確的公斤測量基準。

德國布朗茲維國立度量衡研究所的研究員,將以直徑十公分的純矽球體,建立比現行更好的標準測量法。

現在一公斤被定義為一個白金合金圓柱的質量,這個圓柱儲存在巴黎郊區戒備嚴密的地窖中,但由於它的重量漸漸流失,因此越來越不可靠。

科學家新使用的這個純矽球體非常特別,耗資兩百萬歐元(約九千六百二十七萬新台幣)、歷時五年,在俄羅斯澳洲與德國製造,重量非常接近一公斤,是一個近乎完美的球體,以百分之九十九點九九的矽同位素「矽28」製造而成。

布朗茲維的科學家將在球體上進行數千次小心的實驗,計算其成分中的矽原子數目。

計畫協調人尼可拉斯告訴法新社,此舉將得知一公斤包含多少矽原子,知道這點,就無需在巴黎或其他地方的地窖,儲藏一公斤的度量標準。

  德國團隊與一個日本研究小組合作,日本研究員將使用完全相同的矽球體進行研究。

  由於另有兩個國際團隊正以不同方式致力於同樣的問題,德日團隊希望能在明年底前完成工作,不過團隊表示,公斤度量標準最後若有調整,也細微到只會影響科學家,浴室磅秤不會有所不同。

洪 雪真 | 我要回應(841)

太空垃圾 人造衛星殺手


16 Apr, 2008

 

〔編譯胡立宗綜合報導〕太空垃圾的數量可能遠超乎人類想像。據估計,離地三萬六千公里的同步軌道上,可能有數以千萬計太空垃圾,這些就算只有零點幾公分大碎片,卻因為時速高達幾萬公里,一旦撞上太空船或人造衛星,將引發難以想像的災難。

英國每日郵報所取得的示意圖顯示,廢棄太空船、失去功能的人造衛星、推進火箭外殼、爆炸解體的火箭,以及各種各樣的廢棄物,已經在商用衛星的同步軌道形成一層「太空垃圾層」。

這些垃圾體積或許不大,但卻是太空任務最不可忽略潛在殺手,即使是一小片塗料,如果以高速撞上國際太空站,很可能會讓外殼凹陷或是窗戶破損;如果太空漫步中的太空人遭到最小顆的螺絲撞擊,鐵定馬上命喪黃泉。

美國航太總署和其他一些太空單位,都有各自的太空垃圾追蹤網;太空監控網甚至能掌握長寬○.二五公分以上垃圾物。監控網一旦發現太空垃圾接近太空梭數公里範圍、且碰撞機率高於萬分之一,太空梭就會自動採迴避動作。

雖然嚴重撞擊案例很罕見,緊急迴避的例子一兩年也才一次,但這是因為太空空間很大,垃圾與垃圾間的空隙還夠,加上新型太空船都有能彈開小型撞擊物的防護層。但隨著垃圾數量越來越多,未來難保不會發生造成嚴重傷亡的撞擊。

 

洪 雪真 | 我要回應(300)

奈米發電機


04 Mar, 2008

奈米科技的潛力無窮,但是這些微小的裝置必須有比電池更好的電力來源。

■由振動甚至人體脈搏所浪費掉的能量,就可以提供足夠的動力來驅動這類的小機件。

■壓電奈米線陣列可以捕捉這些浪費掉的能量,並傳送給奈米裝置。

■醫療裝置將會是最主要的應用項目。它們可以為起搏器的電池充電,因此不需要更換電池,也可以植入無線奈米偵測器,以監測糖尿病患的血糖濃度。

1920年代的鐘錶匠製造出的自動上發條手錶,來自一個偉大的點子:以機械的方式從戴錶者晃動的手臂獲取能量,重新上緊手錶發條。

今天,我們則打算製造極小的能源獲取器,來為奈米儀器的小小世界供應電力。這些東西稱為「奈米發電機」,由於它們有能力在微小的尺度內產生電力,我們便能開始設法讓有些東西不須更換電池就能運作,像是可以持續監測病患血糖濃度的植入性生物偵測器、會自動拉緊橋墩的結構偵測器,或是偵測有毒物質的環境偵測器等。此外,奈米機器人、微機電系統(MEMS)、國防安全,甚至可攜式個人電子用品,都亟需電力來源。我們很難想像,最後可以找到這麼精細微小的發電器,為上述電子儀器供電。

研究人員正以數種不同的方式來研發這種小型發電器,包括利用隨機的震動或移動(例如鐵軌附近)、溫度梯度(例如地底數公尺的溫度比起地表來會穩定得多)、生化,或是外來能源(如超聲波甚至可聽見的雜音)等。

奈米儀器和奈米系統的關鍵優勢在於,它們通常只要奈瓦到微瓦這種十分微小的電力就可以運作了,就想想人體可能的供電來源好了:機械能、熱能、震動能、化學能(以葡萄糖的形式提供)以及循環系統的液力能,只要將這些能量的一小部份轉換為電力,便足以驅動各式各樣的微型裝置了。

驅動奈米級裝置

1990年代後期,微型裝置發電器的研發工作開始有了快速的進展,因為當時可攜式電子儀器的數量激增,吸引不少研究人員去尋找驅動這些儀器的新方法。像是美國麻省理工學院的媒體實驗室,便利用壓電效應(當特定的晶體物質受到機械性壓力時,便會放電)設計出一種節能鞋。要讓製造出的電量高到符合一般用途仍是困難重重,不過,科學家倒是很快發明了可以符合MEMS超少電力需求的發電器。這些微米(百萬分之一公尺)到毫米(千分之一公尺)尺寸的矽材料裝置,找到許多應用途徑,包括汽車氣囊系統的加速度計,以及噴墨印表機的噴頭。生物和化學能也可能為尺寸稍大一點的裝置提供動力(參見123頁〈隨手可得的能量運用〉)。

近年來,科學家已利用壓電和電磁轉換器,建造出小型的震動型發電器。微型電磁發電器以移動中的磁鐵或線圈,在電路中製造出感應交流電。即便已經可以在MEMS的尺度中製造出某些微型發電器,但技術仍繼續朝向1~75立方公分的尺度邁進,能在50~5000赫茲的震動中運作。典型的壓電震動發電器使用的是雙層鋯鈦酸鉛橫桿,它對橫桿懸空的一端施加重量,有點像是跳水選手在跳板末端平衡的姿態。當橫桿因重力而向下彎曲時,上層壓電材料便處於伸展狀態,而下層則處於壓縮狀態,如此一來,橫桿就會產生正電壓和負電壓。而當尾端的重物來回振盪,便會出現交流電壓。

這個發電器相對較大,所以重力對於振盪物體會產生重要影響。現在,我在美國喬治亞理工學院的團隊所研發的是奈米尺度的壓電發電器。相較於化學鍵結力和分子間引力,在巨觀世界扮演關鍵角色的重力,到了奈米世界則顯得無足輕重了。

重力發揮不了作用的地方

在奈米世界中,重力無法帶來實際的效用。如果想要以奈米級橫桿建造出壓電發電器,那麼,重力幾乎無法為橫桿的振盪帶來任何貢獻,所以此法是行不通的,我們需要以其他方法來製造可為自動裝置供電的奈米發電機。我們團隊已經研發了創新的奈米科技,將機械能(像是身體移動和肌肉伸展)、振動能(像是聲波和超聲波)以及液力能(像是體液和血液的流動)轉換成電能來驅動奈米裝置。

我在1990年代後期的研究集中於奈米碳管。我們發明了一些方法,能夠量測個別奈米碳管在顯微鏡下的機械性能、電性和場發射特性,但卻無法控制奈米管的電性。我立即了解到,金屬氧化物是個全新的世界,值得我們發掘。2000年,我便從奈米帶這種白色羊毛狀的金屬氧化物(像是讓鋅在900~1200℃的烘烤環境下與氬氣作用)和奈米線開始著手。...

【完整內容,請參閱科學人2008年第72期 2月號】

洪 雪真 | 我要回應(295)