磁凝絮快速淨水! Hitachi ClearBallast Water Purification

水的淨水處理在很多場合都很重要,尤其在緊急或設備不夠的場合, 像是災害發生地或是落後沒有自來水的國家. 傳統利用明礬來淨水, 原理就如同豆漿加鹽一樣,藉由電荷吸引來產生沉澱, 一來時效不快, 二來明礬中的金屬鋁離子對人有害,不合適長期使用. 最近有開始利用無害的帶電高分子來做類似的凝絮淨水處理, 利用加入帶電個高分子來跟水中的雜質或是有害微生物結合. 這影片介紹日本新開發出來快速的連續淨水裝置, 跟傳統凝絮最大的不同是在凝絮劑中加入帶有磁性的粒子, 所以不用等沉澱分離,只要利用磁鐵就可以把跟水中雜質跟凝絮劑形成的物質分離. 目前開發的對象是用在大貨輪壓艙水的處理, 不過同樣的技術也可以用在其他地方, 如果配合上合適的凝絮高分子,可以在緊急的時候能提供一種快速的淨水方式, 如果能開發一整環的處理技術, 或許對偏遠落後國家的飲用水處理也有幫助!


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向生物學習設計跟解決方案! Janine Benyus shares nature's designs

不管是自然界的生物或是人類所面臨的都是同一個物理世界, 所以許多人類面對的技術跟設計問題自然界的生物早已處理過並找出了好方法. 比較自然生物跟人類處理跟製造物品最大的不同是人類幾乎都是利用破壞環境跟產生多數廢物的方式製造少數有用的東西, 就像是電子產品的生產總是伴隨著有毒物的排放.而生物的解決方案總是幾乎沒有廢棄物考且不會破壞週遭的環境, 因為這樣才能確保自身種族的生存. 以這觀點來看, 人類的科技比起大自然的方案還處在很初階的階段. 講者以貝殼生長控制為例, 說明簡單的蛋白質釋放控制就可以調節貝殼結晶的成長跟終止, 說明大自然早就處理了很多工程物理問題. 生物科學的在未來不僅是了解生物做了什麼, 還要能從中找出邏輯利用生物的解決方案來引導人類找到更合理更跟環境相容的工程設計技術. 裡面列舉了12個最有可能改變目前技術的仿生技術,分別是:自主裝,CO2固定作用與光能利用, 生物力學外型設計, 光子晶體與自潔表面, 水氣凝聚, 礦物分離, 綠色化學, 可控制分解結構, 乾燥與修復保存, 感知與反應, 生產且肥沃土地, 環境友善技術等. 對每種技術都提出可能的應用的構想,期許一個新的仿生物方案的新工程典範.


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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.
學術文獻
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反射式膽固醇液晶電子紙! Color E-paper

傳統的液晶雖然漂亮, 但是因為高耗能, 所以現在的電子書選擇了利用E-Ink種只有切換時需要耗能的顯示技術. E-Ink利用電泳來驅動色素粒子所以沒有電壓時粒子是穩定的. 傳統的液晶螢幕一直需要電壓來維持分子的排列. 但其實有另一類的液晶種類稱為膽固醇液晶, 可以有雙穩態, 也就是分子排列有兩種穩定的狀態, 只有切換的時候需要提供電場. 這類的分子在不同的排列下就如同不同的晶格, 可以反射特定的波長. 下面的影片是展示利用三層這樣的結構做出來的彩色電子紙. 這種技術一樣有低耗能的優點, 之前的產品因為切換慢對比也不好, 所以競爭力不大. 現在廠商似乎已經漸漸克服缺點. 這類的技術除了電子紙還能用在窗戶或電子商標上.


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人工DNA抗體! Biosensor DNA

生物晶片一個最核心個概念就是利用偵測結合來判斷某種生物分子的有無, 在偵測DNA基因上這樣的使用已經沒有問題, 只要有合適的序列就可以. 但是在偵測蛋白質上, 因為要跟蛋白質結合的抗體不容易大量多樣專一生產, 加上螢光標定問題, 所以還侷限在實驗室研究上. 以往有一類的研究是希望利用分子模板鑄造來製造人工抗體,而不是用傳統的免疫方式. 下面這影片是介紹利用DNA分子當骨幹, 把不同的氨基酸結合在DNA的鏈上, 這樣一來就可以賦予DNA更多的性質,可以跟蛋白質結合, 變成人工的抗體. 這技術的一個好處是可以利用目前合成DNA長鏈的技術直接產生抗體, 所以可以克服以往抗體不容易生產的問題, 而來DNA上很容易在加上螢光標定的互補鏈, 可以增加這種分子的功能性. 類似的解決方案不只一種,目前應該都是正要發展的時候, 這樣的技術會大大增加生物晶片以後的偵測能力.


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星際大戰裡的技術-動態全像3D! Hologram 3D Star Wars

全像技術是利用干涉的方式重建光的波前跟強度, 發明了很久也很多改進, 雖然不用戴眼鏡也可以看到各種角度的3D影像, 但是在目前的3D顯示器上沒法實用, 一個原因是在沒有參考物的物理的光學資訊下, 電腦計算干涉圖案非常耗時, 另一個原因是全像片是一種固定的照片, 沒有辦法顯示動態. 第一個問題在電腦進步下已經慢慢有進展. 這影片是說展示現在的材料技術是怎克服動態顯示的困難. 新一代的材料利用可重複寫入的動態底片, 原理是把感光的材料放在一對透明電極之間, 當加上電壓又同時受光的時就可以改變局部的分子排列讓折射率改變. 然後利用掃描的脈衝雷射就可以把想要的干涉圖形一次一次寫入這樣的材料. 變成可以改變內容的全像影像, 目前可以做到大約一秒一次上下的更新 雖然慢不過比起以往已經是大幅的進步. 要顯示的時候只要打LED的燈光, 就可以讓立體的影像出現. 動態的3D全像影片或許離實現的時候不遠了!

學術文獻
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變色分子共晶-用光來作功! Converts Light into Mechanical Work

不同種型態的能量轉變常常可以發展出新的裝置. 光變成電已經很常見, 不管是像機還是太陽能電池都是, 不過要從光直接變成機械功, 目前知道的例子還不多. 最常見的一類是輻射計radiometer, 就是在一個小瓶子裡照光會轉動的小葉片. 這原理是因為照光後熱跟溫度差讓氣體流動而產生轉動(不過常被誤會是光壓). 這種方式是利用流體跟固體介面的表面能量的溫度依存性, 有點像是表面張力在溫度下的應用. 不過除了這類以外, 因為光還可以直接跟分子作用, 改變分子的結構, 所以理論上光應該可以直接讓分子的變形來產生功. 以往這類的變形不太可能用, 因為個別分子的尺度太小了, 幾乎沒有實用價值. 這影片是利用光變色分子(二芳基乙烯衍生物)跟 perfluoronaphthalene的共晶來達到大尺度的變形. 當照光之後光變色分子會產生光環化反應, 使分子變形. 這樣的變形會讓共晶的的結構改變. 影片中展示的就是利用這樣的機制, 讓一個一小片共晶材料彎來彎去. 這種光變成機械變形的方式,因為產生的力跟變形都很大. 應該有很多利用的空間!
學術文獻
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傳統做衣服的方式是利用紡好的纖維再做成布料然後再剪裁造型. 現在有科學家把製作衣服的方式加以革新,衣服可以用噴的. 方法是利用纖維跟塑料在溶劑中混合,直接噴在要穿的人身上, 當溶劑揮發後, 就會留下纖維跟塑料的聚合物. 利用一層一層噴上去的方式就可以控制衣料的厚度. 這樣的用噴造型的技術以往有用在做模型的表皮, 不過利用新的複合材料, 這種方式提供了一種很特殊的做衣服的方式. 當然身體的曲線也會一覽無疑, 或許在流行服飾上有吸引人的地方. 除了做衣服之外, 這種技術的額外優點是可回收, 雖然一般也可用水洗, 不過也可以再次溶解在溶劑裡以再次使用. 另外因為可以很合身又不黏皮膚, 所以也可能合適用在醫療的表面敷材, 利用添加藥品到噴料上, 直接形成傷覆蓋層, 幫助傷口回覆.

傳統做衣服的方式是利用紡好的纖維再做成布料然後再剪裁造型. 現在有科學家把製作衣服的方式加以革新,衣服可以用噴的. 方法是利用纖維跟塑料在溶劑中混合,直接噴在要穿的人身上, 當溶劑揮發後, 就會留下纖維跟塑料的聚合物. 利用一層一層噴上去的方式就可以控制衣料的厚度. 這樣的用噴造型的技術以往有用在做模型的表皮, 不過利用新的複合材料, 這種方式提供了一種很特殊的做衣服的方式. 當然身體的曲線也會一覽無疑, 或許在流行服飾上有吸引人的地方. 除了做衣服之外, 這種技術的額外優點是可回收, 雖然一般也可用水洗, 不過也可以再次溶解在溶劑裡以再次使用.　另外因為可以很合身又不黏皮膚, 所以也可能合適用在醫療的表面敷材, 利用添加藥品到噴料上, 直接形成傷覆蓋層, 幫助傷口回覆.


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實物模型列印機! z printer 450

之前有介紹過利用固化的UV膠作為3D列印的機器. 不過那種比較合適精美然後只是局部稍微立體的情況. 對於真的立體的物體想要列印出來有其他的方式. 一種是利用熱融的高分子一層層的加蓋上去, 另外一種是利用CNC雕刻出來或是雷射來引導聚合. 下面這影片介紹的是另外一種利用膠水黏合的方式. 在充滿粉體的艙內, 列印頭前有刮刀可以把需要固定的平面定義出來, 然後利用噴頭把膠水類的物質噴在粉體上, 使其固化. 這樣來來就可以一層層把結構做出來, 過程就像是利用切割好的木板堆模型一樣. 這種方式有兩個特別的好處, 一個是因為有粉體的支撐, 可以做出中間體比較沒有支持性結構的3D物體, 這對複雜的物體很重要. 另一個是膠水可以直接上色, 所以列印出來的物體不只有形狀還有顏色. 配合雷射3D掃描跟相片材質上色, 聯合起來幾乎可以複製看起來的外觀了. 這種技術對於一些需要機構設計的行業很有用, 其實如果便宜一點拿來做模型玩應該也很有趣!

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光彈立體觸控螢幕! Soft touch-panel using LCD and photoelasticity

因為電腦的計算能力已經達到某種程度, 所以越來越多的電腦技術革新是在人機的互動介面上. 像觸控螢幕這樣的技術就得到很多的關注. 傳統的觸控是利用表面的電學性質例如電阻或是電容效應來偵測觸控的位置. 但是感受壓力其實還有更多選擇. 這影片介紹利用立體材料的光彈性質(photoelasticity) 來偵測各種觸覺壓力. 因為液晶螢幕的光已經是經過一片偏光膜, 是有方向性的偏光, 如果外加另外一片偏光板可以讓螢幕看起來都是暗的. 這時候如果在兩個偏光膜中間加上一些透明的彈性物質, 因為在受壓之後, 彈性物質的內的分子會受到應力的擠壓拉扯而變形進而變成有偏光性, 這樣一來, 本來在由一對偏光片阻隔的光就又可以通過偏光片了. 這樣的原理其實跟偏光顯微鏡測應力一模一樣. 所以只要利用偵測透過光的強度就可以知道光彈物質上所受力的相對大小. 影片展示把光彈物質做成臉的模樣, 只要可以偵測應力, 就可以即時跟使用者互動. 當然也可以做成各種不同的模型做各種有趣的互動. 這影片另外一個重要的技術是把偵測用的攝影機做在螢幕的下方, 應該有另外一種控制偏光的方式, 不過細節就沒有公開了.


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自己折起來的薄膜! Plastic sheets perform auto-origami

自我組裝是利用物體間本來就有的作用力來形成特殊的結構. 這種方式常常被當作组裝奈米元件的一種可能的方法. 不過這現象常常只發生在很小的尺度, 巨觀的現象並不常見. 這影片是展示怎麼利用一滴水把一整片薄膜包成像一粒粽子. 研究人員先把薄膜切成三角形之後, 中間滴上一滴有藍色的水, 因為表面張力的關係, 加上水會蒸發, 薄膜會被水慢慢往中間拉. 一拉起來之後, 可就看到這個三角形的薄膜變成像粽子一樣把水包中間. 這種技術是利用表面張力跟蒸發來當作形成結構的驅動力. 同樣的技術也可以用在更小的尺度上, 讓一些結構自己形成喔!

學術文獻
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重複列印無墨水印表機! Prepeat inkless and tonerless rewritable printer

曾經一度人們以為電腦會讓無紙的社會實現, 只是現在大家知道電腦的方便使用只會讓人列印更多的資料出來. 一家日本公司最近堆出了一種可以重複列印而且不需要墨水的印表機! 利用特殊熱感應的塑膠紙, 只要控制讀寫頭的溫度就可以對這種塑膠紙寫入資料或是抹去資料. 一張塑膠紙可以重複只用1000次. 想像以後如果報紙每天可以重複列印出來, 又不需要列印的紙跟墨水, 應該會是很有吸引力的應用也對環境很友善!

相關學術文獻
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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.

學術文獻
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用光來上色 Agile fashion

小時候應該有些朋友有玩過夜光玩具, 就是在光照射之後可以放在暗暗的地方然後看到淡淡的光. 這種現象是因為磷光被短長的光激發, 然後可以慢慢跳回基態, 有些材料的回覆過程可以到幾個小時. 現在有有就人員利用這種概念提出用光上色的設計. 因為每次的激發都會消退, 所以也就是說可以為同個物品更換不同的顏色. 根據影片上介紹, 利用在表面的塗料跟驗鈔筆的指外光就可以替模型上色. 這樣的技術或許在某些展示場合, 或是想要暫時性上色, 又或是暗暗的場所的裝飾有用.


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動手作碳纖維複合材料! Make Your Own Carbon Fiber Parts

複合材料是利用了多種不同材料組合而成的新材料, 因為不同材料有不同特性, 當複合在一起的時候常常能優點結合. 玻璃纖維複合材料跟碳纖維複合材料越來越常見了, 但也常常給人高科技的距離感. 其實有合適的材料, 是可以自己動手作這些看似高科技的複合材料的. 這影片介紹怎麼利用環氧樹酯跟碳纖維作成高強度元件. 首先先把PVA(膠水類的東西)作為脫膜劑塗到模型的表面, 等乾了之後再加上一層樹酯(AB劑型, 要先混合), 等兩三個小時讓樹酯部分凝固之後就可以加上裁好的碳纖維布, 輕柔壓上樹酯之後在塗上一層樹酯, 然後再用熱風槍稍微凝固. 然後這樣的步奏重複幾次到要的厚度, 然後把周圍多的布裁掉, 就可以讓樹酯自然硬化了. 硬化後的材料取出就可以看到漂亮的樹酯元件表面了. 因為材料中的樹酯可以把機械應力分散到強度很高的纖維上, 所以高強度輕量的材料就做好了!


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特殊輪子的太陽能機車! Solar Bike

以太陽能作為交通工具一直有很多的嘗試, 但是因為太陽能能充電的效果有限, 常常會限制了使用太陽能作為交通工具的電力來源的可行性. 這影片介紹新設計的太陽能機車. 太陽能板電池跟車體設計這些技術都很多人在發展, 所以也不是很不同的特點. 這太陽能機車的特點是利用發展摩差力很小的輪胎轉軸來降低耗能. 根據影片中的介紹, 這輪子的慣性旋轉可以到達20分鐘之久, 所以利用這種輪子的機車, 在使用太能能的情況下, 一天的白天的陽光照射, 就足夠當天的交通往返使用. 當然還是可以另外充電的. 每次充電的行進距離可以到達220公里. 如果這車輪的技術能夠普及, 相信對運輸的效率會有不少的改進.


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廢棄塑膠袋到奈米碳管! Plastic Bags to Batteries: A Green Chemistry Solution

塑膠袋雖然方便可是卻是環境的殺手, 需要上百年才分解. 現在也沒有塑膠袋的回收機制, 如果塑膠袋能有更好的回收用途, 或許可以解決部分問題. 這影片介紹一個新近發現的塑膠袋處理程序, 可以把塑膠袋(主要含PE)用化學反應轉化成奈米碳管或是碳米碳球. 方式也很簡單在一個密封的容器升溫到700度, 然後在合適的觸媒下這熱分解反應就會產生. 利用這方法有可能可以大量生產一些奈米碳的結構. 或許可以用在很多不同的地方,像是電池的電極或是未來的碳電子產品. 雖然一定還有很多技術上的問題跟品質上的問題, 不過利用這類的綠色化學(不使用溶劑)來處理廢棄物,獲得有用的物質是一個很重要領域. 希望化學家也會是以後的廢物回收鍊金師!

學術文獻
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石墨烯觸控螢幕! Graphene touchscreen in action!

傳統的觸控螢幕是利用ITO在感壓層的兩端形成導電層, 當手指或是筆觸控以後, 利用xy方向的四個電阻的比值或是產生的電容效應的小電流來決定觸控的位置. 這影片介紹利用石墨烯來做成觸控螢幕的實例. 在材料上, 首先利用氣像化學氣相層積 CVD把石墨烯長在銅上, 然後再利用滾輪轉印的方式把石墨烯層轉到高分子層上, 然後最後再轉印到螢幕的材料上. 現在用的透明導電材料ITO因為材質比較脆所以在使用年限上有限制, 要做成可彎曲的也有一些技術困難, 加上材料用到日漸昂貴的希土元素, 所以能用發展穩定的製程石墨烯來取代是技術上一大突破.下面的影片是展示真實的使用情況. 有了穩定的製造技術, 這類型的產品應該就離市場不遠了.
學術文獻
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轉一下換個顏色! Rotating photonic crystals

光子晶體利用週期性的結構來控制光的傳播行為, 但是傳統的光學晶體因為利用固定的膠體粒子或是固體結構來影響控制光, 所以並不具有動態調節的功能. 這影片展出一種利用超順磁小粒子(內層是Fe3O4, 外層是silica) 組合成的複合粒子, 可以利用外加磁場來控制光. 製作方式是把粒子放入可聚合的樹酯小液滴後經由自我組裝形成特殊的週期性結構, 再利用UV引起樹酯聚合把這樣的結構固定下來. 這種做好的複合粒子在受到磁場影響時, 會改變複合粒子的方向, 也就是可以動態改變光子學晶體跟光的相對入射角度, 所以就能動態的調節光. 這影片展出利用施加不同的方向的磁場讓光的顏色改變的過程.

學術文獻
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液態裝甲衣 能夠擋子彈

http://www.libertytimes.com.tw/2010/new/jul/14/today-int4.htm

〔編譯管淑平／綜合報導〕英國科學家開發出一種新的液態裝甲物質，能在遭受子彈衝擊時變得黏滯以降低衝擊力，產生防彈效果。研發人員認為，可利用這種物質製造出更輕、更有效的防彈衣，提升戰場士兵的人身保護。

英國航太系統公司（BAE Systems）研究人員開發的這種液態裝甲，被暱稱為「防彈卡士達（奶蛋糊）」（bullet-proof custard），它結合一種具有「剪切稠化」（shear thickening）特性的液體，即流體黏度會隨剪切率增加而提高，以及現今用於防彈衣的「克維拉」（Kevlar）纖維製成。研究人員對這種新液體的化學成分保密，僅表示這種液態裝甲是利用被子彈撞擊時變得濃稠、帶有黏滯性來發揮防彈效果。

BAE設計與材料技術業務開發經理佩尼形容，從遭到撞擊時分子鎖在一起的角度來看，這種材料技術與奶蛋糊很像。研究人員在測試時，以一把大型空氣槍分別對著未經新液體裝甲處理過的三十一層「克維拉」，和結合新液態裝甲的十層克維拉，以每秒超過三百公尺的速度擊發球狀金屬子彈，結果顯示後者的防彈效果較好。佩尼說，「加了這種液體的克維拉較快發揮作用，撞擊也不深。」

「美國陸軍研究實驗室」也曾利用類似液體進行防彈測試，但BAE強調，首次測試清楚證明這種液體能有效抵擋子彈和子彈碎片。

佩尼認為，當前的標準防彈衣使用厚重又多層的克維拉，會限制行動、造成疲勞，這種新的輕量液態裝甲效果更好，也可以減少士兵疲勞感，最終將能用於製造更輕、更有彈性、防彈效果更好的防彈衣。

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