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二氧化碳的回收和再利用

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二氧化碳的回收和再利用
國立臺灣大學化學系名譽教授蔡蘊明

二氧化碳的議題,想必大家都不會陌生。人類靠電來推動科技,而目前最大宗的電源是來自於火力發電,除了消耗地球的資源外,隨伴著產生大量的二氧化碳,這方面當然也不能忽略車輛和工廠扮演的角色。許多科學家相信這造成了地球的暖化,若不及早處理,終將導致一場浩劫。事實是用2013年的全球二氧化碳排放量來與1990年的比較,已經增加了0.9倍,以這樣的速率增加,在我們大家幾乎都可親自體驗的十年之後,地球環境的狀況將不可想像!例如大氣二氧化碳的濃度增加,除了溫室氣體效應,造成全球暖化,亦將導致溶入海洋的二氧化碳濃度升高,隨伴產生的碳酸,濃度也會增加,海洋生態就受到雙重的衝擊,有興趣的讀者可以參看四月十四號出刊的時代雜誌,其中就有一篇與珊瑚礁相關的文章。

想當然爾的解決之道,一個就是節約以及更有效率的使用能源,但若是站在民眾的角度來看,事關民生需求和享受,誰願犧牲?開發中國家更急於發展經濟,節約用電根本就是奢談。因此不會意外的,發展二氧化碳的回收和儲存技術,是先進國家著重的研究課題。

站在化學的立場來看,火力發電廠以及車輛的能量來源,倚賴的是進行有機化合物的氧化分解,最終產生碳的氧化物,亦即二氧化碳,看似廢物,但實可將之視為碳的來源,若能發展出有經濟效益的化學方法,將二氧化碳轉回有用的有機物質,搭配二氧化碳的回收科技,那就有機會建立一個永續的碳循環。最理想的二氧化碳的回收再轉換,所需使用的能源最好是來自太陽能,再配合催化劑的發展,更進一步降低能量的耗費,這是化學家們的夢想,而且是有機會達成的。 繼續閱讀 »

重力波:宇宙真的曾經暴脹

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重力波:宇宙真的曾經暴脹─郭兆林教授2014/4/1學術演講側寫
國立臺灣大學應用物理研究所 劉伊修撰文/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

每當仰望星空,你是否曾經思考過這些星星的後面是甚麼?這黑暗的背景是無底的還是有限的呢?

宇宙學家正在找尋答案。

西元1929年天文學家哈伯對星系做光譜攝影時,推論遙遠的星系皆離我們遠去,而且遠離的速度大致與地球的距離成正比,稱之為哈伯定律。這個現象可由一接近等速膨脹的宇宙來解釋,如果依此推論,那麼以前遙遠的星系和我們是非常近的而且溫度比現在更高,這就有點類似高溫的氣體膨脹其溫度會下降一樣的道理。

Cosmic 'Holy Grail' unearthed宇宙背景輻射就是早期的宇宙的餘熱所發出的電磁波。1965年,天文學家彭齊亞斯和威爾遜(Arno Penzias and Robert Wilson) 從自製天線接收到的無線電訊號中發現無法消除的雜訊,後來 證實就是宇宙背景輻射。

宇宙大霹靂理論認為時間、空間、能量、物質有一個起始,是一個無限密、無限熱、無限小的狀態,稱它為奇異點(singularity),之後宇宙就開始膨脹,它推測宇宙年齡約137億年。而光的速度乘上宇宙年齡就是我們可以看到的最遠的地方。因為再遠一點的東西發出的光線,宇宙年齡還不夠讓他們到達我們的望遠鏡。這條界線稱為視界地平線(visible horizon)。但是更遠的地方有物質嗎?答案是有的。二相對地球反方向且接近地球視界地平線的星體必互相看不到對方,同理可知在我們的視界地平線外必仍有東西存在。由於從地球上觀測到的宇宙背景輻射,在全天的分佈上十分均勻,讓我們相信視界外及視界內的物體都應該是從同一點產生的。這不禁使人懷疑,為何有些東西會跑出視界地平線呢?

暴脹理論(inflation)能提出這個問題的一種解釋。暴脹理論(跟大霹靂理論不完全一樣)相信宇宙開始後的約10的負34次方秒時發生了一個超光速的膨脹,這暴脹期間宇宙從一個原子大小變到一個星系的大小。這次暴脹理論也把很多物質推出視界地平線外。聽到超光速或許會覺得不可思議,但是2014年三月底,有一個團隊宣布他們觀測到跟暴脹有關的重力波。

2014年4月1日下午兩點,筆者到臺大物理系凝態館聽演講,座位已經爆滿,連走道都擠得滿滿的,大家都是來聽史丹佛大學物理教授郭兆林的演講。筆者坐在攝影機的後面看著錄影人員準備就緒。一開始主持人介紹郭教授畢業於臺大物理系以及其他的經歷。

這是ㄧ場學術性的演講,現場有許多外籍人士。郭教授用英語先簡單地用幾張投影片介紹宇宙背景輻射、暴脹論、和重力波,並且解釋為什麼重力波在宇宙背景輻射屏幕上所照成的印記能證實暴脹論。宇宙學家相信只有暴脹能加強宇宙早期的重力波,如果宇宙的早期的重力波能被驗證,這一定可增強人們對暴脹論的信念。 繼續閱讀 »

[活動] 通識教育論壇【我的學思歷程】─王瑜

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通識教育論壇【我的學思歷程】─王瑜

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由臺灣大學共同教育中心舉辦的通識教育論壇,4月23日即將邀請中央研究院副院長王瑜,暢談她的學思歷程!

王瑜副院長(2010年獲選中央研究院院士)在國際物理化學界有著極為崇高的地位,是臺大創校以來第一位理學院女院長,也是國科會自然處第一位女處長。自今年3月起接任中研院副院長。

王瑜副院長專長為無機化學與結晶學,在國際結晶學界有一定的知名度。她在學術上最主要的貢獻在於她以精準之單晶X光繞射數據,結合高層次電子結構計算,來詮釋分子中之電子密度分佈與形狀。另外,王副院長亦專注於過渡金屬與特有鍵結之銓釋,並利用同步輻射研究自旋交叉系統之光致激發態結構及電子組態,在這方面的研究可說是創始者之一。 繼續閱讀 »

高科技材料專題(四):高科技材料何去何從?

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高科技材料專題(四):高科技材料何去何從?
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯柯廷龍/國立臺灣大學科學教育發展中心 陳藹然博士責任編輯

編譯來源:《A Material Matter》

p6

近年來,日本富士也試著將其公司的科技應用在不同於原屬的膠片市場上,他們銷售偏光膜製材和能夠使液晶銀幕從更寬廣的角度觀賞的化學膠片。(圖片來源:flicker用戶-Luis Hernandez – D2k6.es)

至今仍有許多人認為高科技產業可以賺許多錢,而其中又有一項產業表現特別吸睛,就是高科技材料業。

2013年初,日本帝人股份有限公司(Teijin Ltd.)與萊斯大學(Rice University)公布了新的研發成果,即「奈米碳管纖維」。某些日本的塑膠、化學和衣料製造商也已將這種纖維所製作的成品展示給那些可能會有興趣的公司,抱著他們會買單的希望。雖然這種材料成本頗高,帝人公司仍然對此產品的市場需求頗具信心。

近20年來,在日本,化學產業的獲利稱不上是特別顯眼,對某些公司而言,1年內能獲得一點利潤就算是過了個好年,相對的,先進材料製造商的表現十分亮眼,先進材料佔日本化學產業比例較少,但也較被看好,這些公司大多都能有較高的獲利。例如:專門製造電子產品和高級合成橡膠的日本橡膠公司(JSR Corp.)多年來都能賺到其營業額7%以上的收入,而另一家製造特殊化學材料和原料的可樂麗公司(Kuraray)於2012年也繳出了漂亮的成績單。下表可見日本高效能公司的收益狀況。 繼續閱讀 »

高科技材料專題(三):螃蟹殼成為新電池材料

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高科技材料專題(三):螃蟹殼成為新電池材料
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯 葉承効/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

編譯來源:《Crab Shells Help Researchers Make New Battery》

p4

電極不再是一定要用昂貴的原料或是特定的化合物來製作,或許垂手可得或毫不起眼,如:螃蟹殼與稻糠這樣被視為廢物的東西,都可以成為未來人類生活用品的重要材料。(圖片來源:Alaska Dungeness Crab)

在現今提倡環保與節能減碳的大環境下,如何運用最少的資源、能源來達到相同,甚至更好的效能是現今科學發展的趨勢。今日的電池隨著各種電子設備的快速進步,無論在體積與容量上都有更高的標準。鋰離子電池通常運用在手機、筆記型電腦、掌上型電子設備和照相機中,也因為這類電池多運用在高科技產品中,其效能、壽命與安全性一直都是發展的重點。將螃蟹殼運用在電池電極的製作,便是其中一個發展方向,不但能降低材料成本、有助環境保護,也可以增加電池的容量。

史丹佛大學材料科學教授崔屹(Cui Yi)的研究團隊在2013年的一份實驗報告中發表了關於電池電極材料的研究。通常我們看到的鋰離子電池是用鋰鈷氧化物當作陰極,碳棒當作陽極。如果能夠將電極材料加以轉換,如以矽為陰極,硫為陽極,那麼電池的電容量將會是現今的10倍以上。但是硫和矽的電極卻也會在放電充電的過程中,因為反覆的膨脹與收縮而破裂,降低了電池的壽命。

崔屹的團隊認為若是將硫和矽放入奈米碳纖維之類的奈米結構中,這樣會讓電極材料在受到保護的空間內膨脹與收縮而延長壽命。 繼續閱讀 »

高科技材料專題(二):超原子?超級的原子?

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高科技材料專題(二):超原子?超級的原子?
國立成功大學生命科學研究所  蔡宗樺編譯/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

編譯來源:《Developing Superatom Science》

p3

超原子是原子或是分子的安定聚合,可以視為是另一種新型態,具有獨特、類似原子的性狀。(圖片來源:維基百科)

溫和的原子總是規矩地做著自己的事情,也許是轉移一些電子,或是形成分子。但有時,當他們聚集成像是團簇或樹狀物這種超原子的結構時,有時會表現出新穎的性質。

超原子是原子或分子的安定聚集,可以視為是另一種新的型態,具有獨特、類似原子的性狀。當超原子在進行反應或當成其他物質的原料時,它的行為就像個原子,能夠保持自己的完整性。例如Al13-這個超原子。這個團簇的鍵結軌域有點類似原子軌域,其40個價電子填滿了一個殼層,使得Al13-的性質就像是惰性氣體。然而若移去一個電子,使Al13-變成Al13,其行為又變得像個鹵素喜歡搶奪電子。

因為這種無機超原子團簇的價分子軌域,類似他們模擬元素的原子軌域,因此獲得了不尋常的性質。賓州州立大學的卡斯爾曼教授(A. Welford Castleman Jr.)稱這個現象為「電子上與另一者等價」。他指出,氧化鋯和氮化鈮就是與鉛等價的超原子。儘管元素組成不同,藉由光電子能譜測定,這3者確實具有相似的電子性質。而且在添加氧形成PdO和ZrO2,或 PdO+和ZrO2+後仍然保有性質的相似性。 繼續閱讀 »

高科技材料專題(一):石墨烯的新功能

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高科技材料專題(一):石墨烯的新功能
國立成功大學生命科學研究所 蔡宗樺編譯/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

編譯來源:《Graphene Stabs Cells》

p2

說到「碳」,大家會想到什麼?烤肉用的木炭?還是閃亮的鑽石?其實直到1980年代,傳統上認為碳就只有2種理想有序的型態:石墨和鑽石。(圖片來源:維基百科)

說到「碳」,大家會想到什麼?烤肉用的木炭?還是閃亮的鑽石?其實直到1980年代,傳統上認為碳就只有2種理想有序的型態:石墨和鑽石。之後,這張碳清單逐漸成長,現在已經有巴克球、奈米碳管、平面石墨烯片和其他等各種型態。

大家熟悉的石墨,是由碳所組成的六邊形結構形成的平面,平面間以微弱的凡德瓦力連繫著彼此;鑽石則是正八面體晶體。

巴克球(C60)是由五邊形和六邊形組成的球體,長得很像足球;奈米碳管大部分是由六邊形、少數五邊形及七邊形所組成的直徑,為奈米級的多重管狀結構。至於本篇主角,石墨烯則是由六邊形組成的平面結構,簡單的說就是單層石墨,也是目前所知最堅硬以及最薄的材料之一。 繼續閱讀 »

高科技材料專題-序言:高科技的未來

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高科技材料專題-序言:高科技的未來
國立臺灣大學科學教育發展中心 陳藹然博士/國立臺灣大學科學教育發展中心 陳藹然博士責任編輯

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開發環保的新材料,也是未來科技材料的重要考量。(圖片來源:flickr用戶Frank.Vassen)

便利的生活是由各式各樣的材料堆築起,隨著科技進步、新材料的不斷被開發,同時也改變了我們的生活。構造化學科學家研究物質性質和結構的關係,從原子、分子層面開始探索瞭解材料本性,進而嘗試學習設計特定性質的材料。

本高科技材料專題系列,在〈超原子?很超級的原子?〉一文中,科學家試著瞭解原子、分子結構,從中找出未來科技材料的新面貌。

近來,π-電子系材料的熱度有增無減,π-電子系材料包含了碳簇、導電性高分子、有機半導體等,從富樂烯到奈米碳管、石墨烯的發現,物理與化學性質的深入瞭解,在電子元件、藥物等各方面應用的開發,皆顯現出了π-電子系材料的價值,在〈石墨烯的新功能〉文中提到,石墨烯在光電材料與醫藥的潛力,可預期未來π-電子系材料將會更加受到重視。 繼續閱讀 »

[活動] 2014春季展望【宇宙大探索─從光明到黑暗!】系列演講

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2014春季展望【宇宙大探索─從光明到黑暗!】系列演講

poster-large今年國際上充滿了「天文、太空、宇宙」的氛圍,因此2014年春季的系列「宇宙大探索—從光明到黑暗!」各場邀請演講將環繞這個主軸,發展出八個方向的演講:這一系列將從彗星探索開始,到行星形成、恆星黑洞、星系形成和活躍星系核、宇宙微中子、暗物質,直到暗能量和宇宙本來面貌!

春季系列所邀請的展望講座,分別來自中央研究院天文與天文物理研究所、清華大學物理系、臺灣大學物理系與天文所,梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心(LeCosPA)等科研教育機構,受邀的講座將從各人的專業領域,提供聽講民眾天文宇宙的科學知識和邏輯思考。我們相信,今年的春季展望系列又將會是一季收穫豐富的科學饗宴!

時 間:
2014/04/11 ~ 2014/06/13
每週五晚間7:00 ~ 9:00(6:30 開放依序入場)

地 點:
臺灣大學應用力學研究所一樓國際會議廳

 

 

 

主持人:

孫維新 
臺灣大學物理系暨天文物理研究所教授/國立自然科學博物館館長

陳丕燊
臺灣大學天文物理研究所教授 繼續閱讀 »

處理器往人工智慧邁出一大步

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處理器往人工智慧邁出一大步
高瞻計畫特約編譯潘一帆/國立臺灣大學物理學系王名儒教授責任編輯

編譯來源:Qualcomm Zeroth processor takes artificial intelligence a step ahead

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圖片來源:http://www.fastcoexist.com/

美國高通科技公司(Qualcomm Corporate Inc.)公開宣稱,「Zeroth處理器」能夠像人類大腦一樣,進行受到啟發的學習。也就是說,Zeroth處理器不再需要仰賴工程師寫的大量程式碼,而會像人類的大腦和神經系統一樣,自行學習。高通的工程師們已經發展出一種新的電腦建構,讓這一切成真。有了配置Zeroth處理器的電腦,程式設計師們就不用再預先編寫控制電腦行為和結果的程式。

該公司釋出一部已配置有Zeroth處理器機器人的影片,這個機器人被放置在一個有許多顏色方格的環境裡,並且被告知只能走白色的方格,但不能走到藍色或黃色的方格。這樣的方法稱作多巴胺式學習或正向強化學習,輕鬆省去一長串的編碼工作。

Zeroth處理器的最大目標是讓電子裝置能像人類一樣,辨識周圍的環境並做出反應。工程師稱之為神經處理單元,也就是所謂的NPU。這是一個新的處理器系統工程。高通對自家的Zeroth處理器的性能相當有信心,並願意和其他期望運用此項科技的公司,一起發展新的應用方式。萬一哪天你發現你的智慧型手機和電腦竟然可以跟你對答如流,可千萬不要太訝異。 繼續閱讀 »

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