科技研發推陳出新 實學研究可闢蹊徑
2017-03-15 11:30
整理／編輯部 圖片取材自網路
每當同奮誦誥迴向時，莫不祈禱大地早回春，但是除了調整習性，尊重自然外，有必要多瞭解目前科技發展的日新月異，興許一篇文章、一個概念，結合同奮在靜坐修持增益的靈覺，可以成為科技研發的一個新動向。
《天帝教教訊》自2017年起，開闢「科技新知」專欄，收集目前科技研發前沿的部分成果，希冀拋磚引玉，裨益科學結合宗教、哲學的「天人實學」研究新蹊徑。
溫度驅動結構變化 液態水屬性可切換
水是地球最基本的化合物之一，占人體體重大約60％，卻比我們想像的更陌生。
科學家一直在研究水的物理性質，發現當它被加熱到40℃～60℃之間時，就會達到「交叉溫度」，並開始在兩種不同狀態的液體間切換。
作為一種化合物，水對地球上的生命至關重要，但是我們一直低估了它的奇特性。
我們已經習慣運用已知的原理，所以很難想像比我們所認識的三種基本狀態─固體、液體與氣體更複雜的東西；在非常罕見的情況下，也可以形成等離子體狀態。
●水相的變化。
在許多方面，水其實並不像地球上我們所認識的其他物質。除了水銀，水具有所有液體的最高表面張力；它是唯一已知的物質裡，可以漂浮在其液體狀態的固態，並且與其他已知物質不同的是，水凍結時會膨脹。
此外，它有一個奇特的沸點。相較於其他氫化物，例如：碲化氫(Hydrogen Telluride)和硫化氫(Hydrogen Sulphide)，它們的沸點隨著分子量減小而降低，但是分子量小的水，卻具有令人驚訝的高沸點。
沒有人真正瞭解水的性質，覆蓋地球2／3的水，仍然是一個謎；更糟糕的是，我們查的越多，問題就越多，運用新技術來瞭解更深層次的液態水的分子結構，只會醞釀更多謎題。
現在物理學家已經證明，在40℃～60℃之間的某個點，液態水可以「切換」狀態，顯示出一組全新的屬性，而這屬性取決於它轉至的狀態。
牛津大學的物理團隊調查了水的熱導率、折射率、電導率、表面張力和介電常數，例如：電場通過物質傳播的程度，以及它們對0℃～100℃的波動反應。一旦水達到了40℃，屬性開始轉變，然後會一直持續轉變到60℃；每個屬性都有一個在這個閾值內不同的「交叉溫度」。
牛津大學團隊列出了幾個交叉溫度～導熱率為約64℃；折射率為50℃；導電率為約53℃；表面張力為57℃。他們總結說：「這些結果證實，在0℃～100℃的範圍內，液態水在接近50℃時，就會呈現許多屬性的交叉溫度。為何會如此？目前還無法解答，但事實是水可以在兩種完全不同的液體狀態之間切換。」
●不同相態下的氫鍵變化。
所以，這可以解釋為什麼在某些溫度時，水會有這些不尋常的屬性。水分子僅維持在彼此之間一個非常短暫的連接，並且這些氫鍵實際上遠弱於我們分子裡所連接單氫與單氧原子的鍵。
由於這個原因，將水分子連接在一起的氫鍵不斷地斷裂和重整，而在所有的混亂當中形成有結構化和「規則」的存在。
物理學家懷疑這就是為甚麼水會有不尋常的屬性，但沒有人完全確定這是如何運作的。
水的分子結構有一方面使它與大多數其他液體有著很不一樣的地方，那就是它擁有短暫的；暫時存在的氫鍵。這些連接分子的弱鍵，不斷地在比水的熔點還要高的狀況下斷裂與重整，但仍然可以在分子混雜之中，施加一定結構化，這是大家所共識的。
●不同相態下的氫鍵變化。
牛津大學團隊的發現可能對我們所理解的奈米和生物系統有著很大的影響。
例如：分散在水中的金屬（金和銀）奈米顆粒的光學性能，可以用作奈米探針；此外，量子點的發射性質，也可以用作螢光生物成像和腫瘤靶的目標，可是它們都是在單一溫度範圍內，顯示出這些特性。
他們提出另一個問題：溫度驅動的水結構變化，是否影響水溶液中的生物大分子？尤其是蛋白質，因為這是活細胞中最重要的生存單位。（這項研究已被發表在《International Journal of Nanotechnology》國際奈米技術雜誌）
螢光染料或成未來電池要角
不斷上升的海洋和碳汙染，使得尋找有效的可再生能源來源，比以往任何時候都更加迫切。雖然太陽能和風力等選項一直在增長，為了使這些能源成為主流，需要解決儲存問題。這個答案可能只是在一種不太可能的材料～稱為BODIPY的螢光染料。
BODIPY是「硼～二吡咯甲烷」的縮寫，它兼有儲存電子和參與電子轉移而不降解的化學性質，可能成為未來電池的要角。（取材自《Chemsus Chem》）
廢輪胎可循環利用
擾人的廢棄輪胎，目前已有另一種循環利用的途徑，未來或許不需去填海或掩埋了。
澳洲初創公司Green Distillation Technologies（GDT）開創了一種稱為破壞性蒸餾的回收技術，將輪胎轉變為可銷售的油、碳和鋼。類似於熱解的製程，不需要勞動或能量來處理輪胎，所以無排放、無浪費。
處理10公斤的轎車輪胎，可以取得4公升石油；碳4公斤；鋼1.5公斤。處理70公斤的卡車輪胎，可以取得28公升石油；碳28公斤；11公斤的鋼。廢輪胎回收作為燃料的潛力無窮，比來自植物，如：玉米或藻類的其他生物燃料更可持續。
昆士蘭理工大學（QUT）的工程師，從回收的天然和合成橡膠輪胎生產的石油，混合10％和20％的柴油，對多種汽車引擎進行測試，發現氮氧化物（一種溫室氣體和空氣汙染物）減少30％，懸浮顆粒質量亦減少；同時回收的石油，還可進一步精煉成汽車或航空燃料。
石油 鋼 碳
10公斤汽車輪胎 4公升 1.5公斤 4公斤
70公斤卡車輪胎 28公升 11公斤 28公斤
家庭汙水─新生物能源
比利時根特大學的團隊，正努力從汙水中提取能源；他們正與華盛頓水公司合作進行測試。
來自浴室和廚房的汙水是一種潛在的能源；因為，廢水中含有懸浮的有機物質。如果要提升汙水處理效果，必須有效分離有機物質和廢水，這樣的方式廢水可以回收，有機物質可以用於生成生物能源。
●家庭汙水是新的生物能源。
目前，大多數汙水處理廠已利用優化微生物，如：細菌、真菌和原生動物，對廢水中的有機汙染物進行處理的方式。但僅回收了汙水混合物中，約20％至30％的有機物。比利時研究團隊發現，可以通過確保細菌儘可能「飢餓」來提高產量。
他們以「禁食」方式使細菌「飢餓」，然後短暫地與廢水接觸，細菌吞噬有機物質而不攝入其他細菌；再餓死其餘的細菌，讓它們可以再次淨化「新鮮」的汙水；如此能夠收穫未消化的材料，用於生產能量和高質量的產品。
根據團隊的計算，這個數量應該提供足夠的能量來完全處理汙水，而不需要外部電源。如果測試成功，將有效降低公眾的能源帳單，以及廢水處理廠的能源中性過程。（資料來源：比利時根特大學）
雜草是新的綠能
英國綠色能源公司Ecotricity宣布，計劃使用從邊際土地收割的草料產生甲烷，「溫暖」97％的英國家庭，並創造一個全新的能源產業。
生物燃料是綠色能源解決方案之一，聽起來很有前途，但不斷陷入細節。動物廢棄物有用，但收集困難；生質能源作物，如：玉米，則有將所需食物轉化為燃料的風險。
生態學的答案是，把草變成甲烷，就像牛一樣；Ecotricity計畫將種植在非農耕用地或轉作的草，從收穫、運輸，以迄稱為「綠色氣體磨」的生產中心，儲存成為青貯飼料。
不同之處在於，不是餵給牛或綿羊，而是將青貯飼料置於大型消化池中，進行厭氧消化，產出一種碳中性的氣體源，適合現有的基礎設施，並且易於擴展。
●叢生雜草孕育新能源。
水泥叢林不是暖化的禍首
過去我們認為現代文明的基礎～水泥，是全球變暖的最大罪魁禍首之一，佔世界二氧化碳排放量的5％。但是，來自美、英和中國的科學家們為水泥翻案；他們說：「水泥結構實際上，是一個極大且被忽視的碳匯。」
水泥生產過程，需要化石燃料提供極高的熱量將石灰石轉化；其中，產生二氧化碳，使水泥製造成為雙重碳密集型工藝。在1930年至2013年期間，據估計生產了760億噸水泥，導致釋放了38.2億噸二氧化碳。
雖然這是一個令人驚訝的數字，但當你考慮在同一時期通過水泥碳酸化，吸收的氣體量會發生什麼？這是東英吉利大學研究人員想要找的答案。
以使用水泥材料在其使用壽命期間的數據，拆除和二次利用作為廢物，以及來自中國實地調查的新數據，研究人員創建了一個模型，並發現在1930年和2013年之間，水泥吸收了區域和全球大氣CO2達4.5千兆噸（約當全球43％的石灰石轉化排放）～在此期間被重新吸收。
此外，積聚水泥庫存，以及拆除的結構，也被證明是有效的碳匯。平均而言，在2000年至2013年期間，5、10年前生產的水泥材料，分別吸收了約25％和14％的碳排放。
被拆除的建築物，由於其大面積暴露和新鮮的表面，也導致碳酸化率的增加。
事實上，根據研究，在1990年至2013年期間，平均年度碳吸收（5.8％），實際上比水泥排放率（5.4％）略有增加。
研究結果顯示：「水泥是巨大且被忽視的碳匯。」與化石燃料排放相比，水泥製造過程產生的碳排放，微不足道。
水泥材料，甚至可以成為具有改進的碳捕集和存儲技術的淨碳或負碳沉積。研究團隊建議政策制定者，不妨專案研究提高水泥廢棄物的完全性和碳化速率的方法，降低水泥廢棄物的風化，以進一步減少水泥排放對氣候的影響。（此一研究成果發表在《自然地球科學》雜誌）
●水泥叢林不是暖化的禍首。
●混凝土孔隙可吸碳。
●混凝土廢料是好的碳匯。
