向植物學習發電-更環保的新一代太陽能電池

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2018/05/15 第93期 | 訂閱/退訂 | 看歷史報份 | 科學少年 | 粉絲團

 
編輯的話 向植物看齊!怎麼模仿光合作用?
本期主打 向植物學習發電-更環保的新一代太陽能電池
好文推薦 永不爆胎的外星輪胎
萌萌闖天下浣熊
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向植物看齊!怎麼模仿光合作用?
郭雅欣
大自然一直是我們的導師,科學家從大自然裡得到許多靈感,例如不沾水的蓮葉效應可應用在防水材料上,堅韌的蜘蛛絲結構可以用在紡織品上等等。現在,科學家效彷植物的光合作用,研發出了新一代的太陽能電池,既環保又便宜,還可以彎折,未來的應用潛力無窮。現在就透過〈向植物學習發電──更環保的新一代太陽能電池〉,來了解這項新科技吧!

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向植物學習發電-更環保的新一代太陽能電池
高憲章

太陽的能量源源不絕,每天都會傳送到地球上,大自然的綠色植物經過數十億年來的演化,很早就能利用陽光製造自身需要的能量。科學家進行植物研究,想要了解植物怎麼吸收陽光、水和空氣,又在這個過程中扮演什麼角色。到了150年前,植物學家恩格爾曼發現,綠色植物是利用葉綠體中的葉綠素來吸收光能;數十年前,化學家卡爾文更是找出了光合作用中,二氧化碳轉換成養分的過程,也發現了光、電子與能量之間一連串迷人又複雜的化學反應,終於解開了植物光合作用的祕密。

在能源短缺的現代,科學家不停思考,我們有沒有辦法像植物一樣利用太陽光的能量呢?如果能截取光合作用過程中的電子,做為日常生活的電力來源,那就太好了!既然植物是利用葉綠素、類胡蘿蔔素等色素行光合作用,我們可以從植物體內取出色素來發電嗎?這樣的發電效率能供應人們日常生活所需嗎?

科學家們不斷嘗試,但從植物取出的葉綠素發電效率並不好,直到1991年,瑞士科學家格拉茲爾終於發明了一種新的電池,他以人工合成出一種染料分子,能夠像葉綠素一樣,接受太陽光照就能發電,經過數年的改良測試後,發電效率漸漸提升,成為新一代的電池──染料敏化太陽能電池。

經過數百年的研究、許多科學家的實驗,人類終於能像植物一樣使用太陽的能量了!

染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池就和一般電池一樣,有正極、負極和電解液。由負極放出的電子會經過電器,最後回到電池正極,內部則靠電解液來傳遞電子,形成一個回路,電池便能運作。

科學家將人工合成的染料分子放入電解液中,上下包覆外殼,做成薄薄一片,就像三明治外層土司夾住中間的流質餡料一樣。上下外殼同時擔任電池正負極的角色,使用能夠導電且透光的材質,讓陽光能穿透,照射內部的染料分子。當染料分子照光時,會像葉綠素一樣產生電子,電池便開始發電了。

電池內還特別加入了二氧化鈦,除了能吸附並固定染料分子,還能夠傳送染料放出的電子,讓電子更容易跑到電極上,電池運作的功率更好。二氧化鈦本身非常安全,常用來添加在化妝品和食品內,對人體完全無毒,而且在地球的含量不算稀少,是一種便宜的材料,大幅降低了電池的成本。

[更多詳細內容請參閱《科學少年》2018年05月 ]

 

永不爆胎的外星輪胎
科學少年編輯部

改用記憶合金編織成的輪胎,就不用再擔心會爆胎了。

每個外星探測任務從規劃到成功登陸,都是花費數十年才有成果,例如在火星上趴趴走的好奇號。然而好奇號成功登陸火星後,不到短短幾年,探測車的鋁胎便磨到破了個大洞,這讓NASA不禁開始思考,該如何做出更堅固的輪胎。

外星環境通常比地球嚴苛許多,溫度可能低到零下100度,或高到數百度,而且能讓探測車登陸的地表,通常是混雜金屬的岩盤或礫石地,加上高低起伏的山脈,更別說不時會遇上的大坑洞。可以想像探測車在這樣的環境行走時,會遇上什麼樣的困難和災難。因此外星輪胎必須符合耐高低溫、耐磨損不易破、持久不變形……等許多條件,當然還要輕量才能減少使用能源,畢竟在遙遠的外星球上,探測車除了行走外,可能還要執行許多需要使用能源的任務。

最近NASA發表了一款用記憶合金「編織」而成的網狀超彈性輪胎,使用鎳鈦材質做成,受擠壓變形後能再恢復成原來的形狀。輪胎的網狀結構使重量大幅減輕,但仍然很堅固,足以支撐探測車的重量,幾乎可以克服所有探測車可能遇到的困境。網狀超彈性輪胎在載重和耐用上,都比好奇號的鋁胎要好許多,NASA目前正緊鑼密鼓的改良,希望能在「火星2020探測車任務」中派上用場。

這項技術也能應用在一般汽車上,特別是需要翻山越嶺的越野車款,或許在未來的車子上,這款輪胎會取代普通的充氣輪胎,人們就不用再擔心,輪胎壓到尖銳物會破洞拋錨了!

[更多詳細內容請參閱《科學少年》2018年05月 ]

萌萌闖天下浣熊
翁嘉文

洗洗洗……不論是想吃的、不想吃的,可以洗的、不可以洗的,牠通通都會丟進水裡清潔一番,本篇主角就是有著嚴重「潔癖」……啊,不是……是擁有良好衛生習慣、因為愛清洗東西而出名的北美浣熊,「浣」也就是「洗」的意思。

北美浣熊在很多有名的卡通、電影中,都有軋上一角!像是1977年的卡通《小浣熊》裡的主角拉斯卡爾、迪士尼《風中奇緣》裡調皮的米糕、《森林保衛戰》中的鬼靈精阿傑,還有《星際異攻隊》裡的火箭浣熊等等。大抵而言,每一齣作品裡的浣熊都具有精明、聰穎、鬼點子很多、身手靈活的特色,但牠們果真如此嗎?有沒有不為人知的一面呢?就讓我們更進一步了解浣熊的真面目吧!

浣熊的生活

浣熊主要棲息在靠近河流、湖泊的森林裡,牠會在高處的樹洞或其他天然洞穴裡做窩來休息或睡覺,甚至躲避敵人,所以從小就要學習爬樹的技能。牠們腳上的爪子可以牢牢攀在枝幹上,長長的尾巴也能幫助姿態平衡,除了單純的爬樹之外,浣熊還有不少絕活,像是倒掛在樹枝上,或是從樹幹上往下垂直俯衝。隨著身手愈來愈靈巧,浣熊就能發揮牠的好奇心,四處探險去囉!

浣熊是雜食性動物,什麼都吃得津津有味,牠會吃漿果、堅果、昆蟲、蝸牛、蚯蚓、小老鼠、小青蛙,也會去偷取鳥蛋來吃,當然更不會放過水下的魚蝦貝類,因為浣熊也是水中好手呢!牠能在水裡待上數小時,游泳速度可達每小時五公里。

浣熊屬於夜行性動物,只有夜視能力好,白天視力不佳。為了彌補視力上的不足,浣熊有良好的嗅覺,牠可辨識地盤中同伴的糞便、尿液或其他體液所留下的氣味;牠還有廣泛的聽覺範圍,可感受高達85000赫茲的音頻,甚至可聽得見躲藏在泥土裡的蚯蚓發出的微弱聲響,對於覓食有很大的幫助。

用「手」感受世界

說了這麼多,那到底浣熊的「潔癖」是怎麼一回事呢?事實上,浣熊的動作與愛整潔沒有直接關係,牠只是用腳掌反覆確認物體罷了,這跟牠的視力不佳有關,換句話說,牠是在用前腳代替眼睛來「觀察」食物。

浣熊最厲害也最依賴的能力就是觸覺!牠藉由觸摸來探索、認識世界。牠的前腳與後腳都是五個腳趾,前腳較為靈活,五個趾頭上裸露的皮膚布滿了觸覺接受器,神經數量是一般哺乳類的4~5倍,此外,牠的趾頭上還長著與貓鬍子一樣的觸鬚,可以接收更多的觸覺訊息。浣熊的大腦皮層區域有將近三分之二的面積負責處理觸覺訊號。

那為什麼牠會在水裡搓洗呢?原來浣熊的前腳掌有一層角質層保護,透過水的滋潤可以讓角質層軟化,更增加前腳皮膚上觸覺神經的敏感程度,幫助浣熊更準確的摸出食物的外形和質地。

有科學家認為,「洗手」對浣熊來說是一種不需學習的本能行為,即使離開有水的自然環境,例如在城市裡討生活或被人們飼育的浣熊,只要一接收到水的刺激,仍然會自動伸出前腳去搓搓洗洗,甚至沒有食物也是如此,形成有趣的畫面。

[更多詳細內容請參閱《科學少年》2018年05月 ]

 

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師生一起投稿玩科學~~

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