科學家的容顏

以下出現的皆是對人類重要貢獻的科學家,你認得出他們是誰嗎? 你也可以直接點選照片進入網路相簿中觀看.

2008年9月24日

奈米結構的檢測工具

  • 掃瞄穿隧顯微儀STM儀器可觀測奈米結構, 其工作原理如下:
    1.金屬探針與導電樣品相距很近時,在其 間加上微小電壓,則探針所在的位置便 有穿隧電流產生。
    2.設定穿隧電流值,即鎖定探針和樣品表 面之間距。
    3.由於探針與樣品表面的間距和穿隧電流 有十分靈敏的關係,當探針在樣品表面掃瞄時,
    探針必須隨表面之起伏調整其 高度(即z值);因此,以探針的高度變 化來呈像,就反映出樣品表面的形貌。


    • 以下的圖片是利用 "掃瞄穿隧顯微儀STM儀器" 所觀察表面電子的行為.
      1993年科學家在銅表面上先鍍上一些鐵原子,然後,將一顆顆鐵原子移動排成一個圓圈的量子圍欄(quantum corral) ,銅的價電子在48顆鐵原子圍成的區域內具有量子效應,而形成駐波。

    奈米尺寸的量子效應-量子幻象(quantum mirage)

    2000年IBM研究群利用量子圍欄的技巧 ,用STM觀察表面電子的行為呈現出另一量子效應--量子海市蜃樓或稱量子幻象,讓我們真接看到奈米世界的壯觀量子奇景。

    下圖是在銅表面放置36個鈷原子,並將其排列成橢圓形。在橢圓形焦點再放一個鈷原子,則銅價電子的物質波與放置在焦點的鈷產生相互影響,而在橢圓的另一焦點產生了一個鈷原子的幻象出來。 (注意:並不是真的有一鈷原子在那裡)
    Courtesy of IBM.reported by: Manoharan et al., in Nature, 3 February 2000



    奈米材料與一般材料性質有何不同?

    • 一般奈米材料尺寸:能夠掌控與操作關鍵尺寸小於100奈米的物質結構單元
    • 化學活性 :一般金塊熔點1063℃,惰性 → 當厚度逹 5nm時,熔點730℃,高活性 且 可作為觸媒
    • 導電性 : 奈米級TiO2 60倍於微米級TiO2
    • 絕熱性 : porous silica,pore<10nm,熱傳導係數~65% air,隔熱效果佳



    • 光學性質 :彩色濾光片色料顆粒 100nm →25nm,顯色強度上升75%,光穿透力40%增加至90%

    奈米科技的基礎

    奈米結構的大小約為 1 到 100奈米,也就是在分子和次微米結構之間。在此尺寸下,許多量子效應與現象特別顯著,因此,奈米結構能產生完全不同於大尺寸物質的新性質。除了尺寸小以外,奈米結構的特徵還包括高表面/體積比、高密度堆積的潛力、以及在結構組合上的彈性。

    某些細菌也會有磁性的分子

    蓮花效應短片

    你知道龍蝦也會遷徙嗎 ?「它們」是一起移動的而且有特定的方向 ,它們是如何做到的 ?

    海龜四處漂泊但生蛋時會回到原出生地 ,海龜是如何回家?

    • 海龜是自然界的珍稀動物,海龜利用獨有的磁性奈米顆粒導航系統,可以長途跋涉數萬公里而不會迷失方向。
    • 「橫行」霸道的螃蟹,在第一對觸角裡也有幾顆用於定向的磁性奈米顆粒,就像幾個小小的指南針。

    蜜蜂採完花蜜後,如何找到回家的方向 ?

    蜜蜂辨別方向是因其腹部有奈米大小的磁性顆粒可感應地球磁場 ,當蜜蜂要回家時只要依出發時磁性顆粒的反向即可。( 此項構造是由清大生命科學研究所發現 , 並發表論文於 Nature 雜誌 )

    蓮花為何能出污泥而不染 ?


    註: 欲放大觀看照片, 直接點選照片即可.


    壁虎為何可牢牢吸住天花版或牆壁而不會掉落 ?


    • 因為壁虎足底有650萬根細毛(tiny hairs) ,每根細毛分成數 百根的tips( 直徑約為200 nm_奈米 ) 。

    • 壁虎的一根細毛可支撐 20 mg ( 0.02g )重量,一百萬根可舉起20公斤重量 ( 利用Stanford大學的microscopic force sensor測量 ) ,利用分子間彼此吸引的凡得瓦爾力與各種物體表面黏著,每平方英寸可支撐約 200磅的重量。

    • 一般膠帶需黏著劑,用久耗損則不具有黏性, 但壁虎與天花版或牆壁間的黏性則沒有這種問題。

    • 英國:太空物理學教授Andre Geim (Univ. of Manchester) 用5μm 厚(即0.000005m厚度)的Polyimide,以電子束微影和氧電漿蝕刻出微細圖案,即可將蜘蛛人模型直接吸附在天花板上。



    自然界的奈米現象

    奈米不是最新發明,自然界早存在奈米現象

    • 人體小腸內部絨毛尖端為奈米等級故其吸收力特強
    • 蝴蝶翅膀表面即為一層奈米級薄膜,會隨光線而改變顏色




    奈米簡介

    目前已進入"奈米"的時代, 我們將擷取教育部推廣的相關資料 , 對"奈米"科技作概略性的描述.
    奈米尺寸 : 1奈米=1米(公尺)的10億分之一
    註:你可以直接點選下圖即可放大觀看.



    質量的單位

    以下取自於網路資訊:
    法國人於18世紀中葉的提出概念: 沒有雜質的純,在4攝氏度下,1cm3的水為1克 , 1000cm3 (1升)的水,被視為1kg。以合金製成、底面直徑為39毫米、高為39毫米的國際千克原器(圓柱體)的質量被規定為1千克。目前它保存在法國巴黎國際計量局里。由於國際千克原器不可能保持絕對穩定的物理性能,因此人們正在探索更好的定義方法。

    新聞主播曾報導手槍大小為9釐米手槍,你認為是否正確?

    "9釐米"實際上是9公分, 那已經不是槍的大小,而是接近砲的尺寸!
    正確的說法應是"9毫米或9公厘"手槍 .

    目前公尺的定義

    隨著科技進步,後來發現地球的形狀大小一直在改變,所以在1960年的國際計量大會上,廢除米尺原型,改以氪放電時產生的一種橙色光譜波長的1650763.73倍作為一米的參考標準。 在1983年,國際度量衡組織改以光速做為長度標準的定義,將光速定為299,792,458米/秒,「1米」被定義為光在1/299,792,458秒的持續時間內在真空中傳播行程的長度。這個定義的特點是把真空中的光速值視為一個不變的物理常數。

    公尺的由來

    人們希望可以得到固定不變的長度單位,就想到使用地球子午線長度的四千萬分之一作為長度的單位”米”(公尺)。正式『公尺』的單位(meter)是由巴黎科學院(ParisAcademy of Sciences)於1791 年所制定的,當時的定義是「通過巴黎的子午線(子午線即經線),從北極到赤道的長度(此長度為地球子午線的四分之一)的千萬分之一是一公尺」。為實現這個定義,一群大地測量家花了6 年的時間,測量從法國敦克爾克(Dunkirk)的港口到西班牙巴塞隆納(Barcelona)之間的距離(此二地點的經度相同而緯度相差10度,由此距離的9倍即為北極至赤道的距離),並把這個定義做成了長度是1 公尺的白金棒。但由於測量誤差,這個公尺原器有0.2 公釐的誤差。

    經過許多年,公尺制度漸漸被世界各國所接受,有20 個國家於1875 年簽訂公約,並成立國際度量衡局負責相關的業務。1889 年國際度量衡局改良第一代公尺原器的設計,製作了30支截面是X形的鉑銥合金棒,分贈給各會員國,來統一及推廣公尺的定義。於1927年,把保存在國際度量衡局內的改良型公尺原器,當它在攝氏0 度時,原器上兩端刻線間的距離,做為國際公尺的定義。但是用鉑銥合金棒上的刻線來定義公尺,有許多缺點,例如刻線品質和材質穩定性都會影響尺寸的穩定性及重現性,而且一旦毀損後也無法復原。隨著科技的發展,人們希望把長度基本單位建立在更科學、更可靠的基準上,而不再是用某一實體的尺寸做為標準。

    註:法國敦克爾克(Dunkirk)港口有另一層意義, 在第二次大戰期間德軍攻入法國, 法國政府為保存實力將大批人員, 物資經由此港口撤退到英國.

    長度單位的制定

    以下摘錄自網路資訊:
    早期的長度單位往往與人體有密切的關係,在出土的古埃及文獻中,就有紀錄用人的前臂長作為長度的單位,稱為”腕尺”。相傳埃及的古夫金字塔,就是以法老王古夫的前臂作為腕尺所建,塔高280腕尺(約150公尺)。在一塊古希臘年代的大理石板上,刻著一個人向兩側平舉雙臂,兩中指間的距離定為一”噚”。西元九世紀薩克森王朝的創立者亨利一世規定,他的手臂向前平伸,鼻尖至指尖的距離定為一”碼”。  ”呎”的原意是”足”的意思,羅馬帝國的查理曼大帝將他的一隻腳長定為一”呎”(foot既為足也為呎)。而”呎”傳入英國後,英國又以36粒麥子頭尾相接的長度,重新定義”呎”。德國則以十六名男子伸出左腳,前後相接,取其總長的十六分之一作為”呎”的長度依據。  而”吋”是西元十世紀的英王艾德嘉以他拇指關節間的長度所定出。另外,像唐太宗也曾規定中指當中的一節長度為一”寸”。在凱撒大帝時代規定,把士兵行軍時的一千步定為一”哩”。

    2008年9月23日

    最早的科學家如何測出地球子午線長度?

    根據 "歐幾里德之窗"這本書的描述:
    西元前212年,出生於利比亞的埃拉托塞尼斯在埃及的亞歷山卓城擔任主任圖書館員,他一輩子大概都沒有離開家鄉到幾百英里以外的地方去過但卻成為史上第一個測量地球圓周的人,他是如何辦到的?他發現埃及的亞斯文(Aswan)在夏至(太陽直射北回歸線)正午時分地上插著的竿子居然沒有影子時,這代表地上的竿子和太陽光線的夾角為O0,但亞歷山卓城的竿子卻有影子,測量出太陽與竿的角度即為二地間的緯度差。埃拉托塞尼斯測量太陽與亞歷山卓城竿子的夾角約為圓周角(3600)的50分之一,所以他請人由西安奈走到亞歷山卓城測出實際距離,再乘以50即得出地球的子午線長度為25000英里,與現在的測量相比較精確度在百分之四以內。

    2008年9月17日

    希臘人很早就知到地球是圓的,他們是如何判斷的?

    因為希臘人發現當遠方的船出現時最先見到的是桅桿,若地球是平的應可見到整艘船.