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2013年3月24日 星期日

美國麻省理工學院的人工葉 - 太陽能 ( MIT Artificial leaf )

仿光合作用 人工葉造能源

發展乾淨能源,關鍵在片片綠葉?英國目前正進行人工造葉計劃,希望藉由複製葉子行光合作用時轉換太陽能的方式,積極發展太陽能,替未來製造充足的乾淨能源。目前轉換太陽能,大多是運用太陽能電板。然而電板價格不低,是發展太陽能的一大阻力。倫敦帝國理工學院發起「人工造葉」計劃,投入100萬英鎊(近新台幣5500萬),就是為了要研發出價格低廉又好用的造能工具。

其實人類一年活動所需能源,等同於太陽照射地球一小時所產生的所有能量。因此,以目前科技來說,人類發展太陽能,還有很大進步空間。而葉子行光合作用轉換太陽能、產生氧氣、水和葡萄糖的過程,指引了重要方向。

若能複製出如綠葉般充份轉換太陽能量的系統,順利將水(H2O)分解成氧與氫,就能進一步利用氫,發展乾淨能源將大有可為。其實現在已有相關分解水的技術,但所費不貲,且需嚴格控制實驗環境,過程不易。

若計劃主持人詹姆斯‧巴伯與研究團隊,能成功運用人工造葉系統、轉換太陽能量的10%,評估人類能源使用量,未來只需地表面積0.16%的大小,能源供應到2030年前都沒有問題。而這項人工造葉系統也能擺置在廣大沙漠地區,減少與人爭地的困擾。

其他科學家,如巴伯的同事詹姆斯‧杜蘭,美國麻省理工學院的丹‧諾索拉,也在研究如何製造出穩定、造價低的催化劑,協助分解水、得到氫。美國、荷蘭也有類似的太陽能計劃。其中,美國投入一年3500萬美元(約新台幣10億),荷蘭則是4000萬歐元(約新台幣18億)。

MIT's artificial leaf is ten times more efficient than the real thing

Speaking at the National Meeting of the American Chemical Society in California, MIT professor Daniel Nocera claims to have created an artificial leaf, made from stable and inexpensive materials, which mimics nature's photosynthesis process.

The device is an advanced solar cell, no bigger than a typical playing card, which is left floating in a pool of water. Then, much like a natural leaf, it uses sunlight to split the water into its two core components, oxygen and hydrogen, which are stored in a fuel cell to be used when producing electricity.

Nocera's leaf is stable -- operating continuously for at least 45 hours without a drop in activity in preliminary tests -- and made of widely available, inexpensive materials -- like silicon, electronics and chemical catalysts. It's also powerful, as much as ten times more efficient at carrying out photosynthesis than a natural leaf.

With a single gallon of water, Nocera says, the chip could produce enough electricity to power a house in a developing country for an entire day. Provide every house on the planet with an artificial leaf and we could satisfy our 14 terrawatt need with just one gallon of water a day.

Those are impressive claims, but they're also not just pie-in-the-sky, conceptual thoughts. Nocera has already signed a contract with a global megafirm to commercialise his groundbreaking idea. The mammoth Indian conglomerate, Tata Group has forged a deal with the MIT professor to build a small power plant, the size of a refrigerator, in about a year and a half.
Due to deforestation, new type of energy is needed for human

This isn't the first ever artificial leaf, of course. The concept of emulating nature's energy-generating process has been around for decades and many scientists have tried to create leaves in that time. The first, built more than ten years ago by John Turner of the US National Renewable Energy Laboratory, was efficient at faking photosynthesis but was made of rare and hugely expensive materials. It was also highly unstable, and had a lifespan of barely one day.

For now, Nocera is setting his sights on developing countries. "Our goal is to make each home its own power station," he said. "One can envision villages in India and Africa not long from now purchasing an affordable basic power system based on this technology."

( Note 註 : Global Deforestation Estimates 全球森林砍伐預估, In his excellent Deforesting the earth: from prehistory to global crisis, Williams estimates that humans have cleared some 1.8 billion hectares over the past 5,000 years, or an average net loss of 360,000 hectares per year. So it is difficult to find an energy system without generating CO2, only Artificial Leaf can avoid to generate more of other kind of air components not meet with the need of long term of human living environment )


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2013年3月23日 星期六

3D生物印表機技術既將成熟? ( 3D bio printing will become an new technology applied in human life? )

3D生物印表CAD軟體,未來可望打印出人體器官

3D設計、工程及娛樂軟體的領導者歐特克公司( Autodesk )宣布,他們正和3D生物印表機Organovo公司合作一項研究計畫,研發可打印出血管,肝臟組織和其餘人體器官的電腦輔助設計( CAD )工具。日前兩家公司發表這項合作計畫,雙方總裁興奮地透露這次結盟的計畫細節。

這次合作對Organovo來說,將會有戲劇性的大突破。他們擁有的生物印表機可建置細胞,長成可應用在醫學研究的人體組織,這些功能強大的先進產品,應用軟體卻像是從阿波羅時代傳下來一般的陳舊,研發人員每每想利用這些印表機都必須從寫程式著手,等於完全從頭開始,以及忙著處理程式中的錯誤,做實驗對他們而言簡直是種奢求。

Organovo執行長Keith Murthy表示:「這項研究所跨足的領域,多到讓我們覺得再加一個軟體設計絕對不是好主意,現在,有了專業3D 設計軟體,一定會加速研發人員實驗的進度,這也讓外界相關專家們更容易了解我們系統。」

現在讓我們一窺Autodesk的世界。這個電腦輔助設計軟體的龍頭在許多領域上,不論是建築或工業設計都獨占鰲頭,此外,Autodesk旗下的軟體應用在17部電影製作,更為這些電影在奧斯卡金像獎中奪下最佳視覺效果大獎,包含阿凡達擬真生物的特效處理。

現在這項與Organovo的合作,將軟體技術與生物印表機設備製造商做結合,開始創造出有生命的東西。

在Autodesk帶領14人團隊,掌管生物/微細/程式化部門的主管Carlos Olguin表示:「地球上過去二十年來所設計或建造的,不論是建築、汽車或桌子多少都有用到我們的軟體,但這些都是死的、無生命的。現在,生命這奧妙的議題在工程上漸漸有了設計萌芽的空間,開始談論專業,可以講究品管,甚至是可重複的,生物學也可以說是工程的一個學門。」

這項合作計畫在2013年開始積極地進行,但若要談任何重大的科學突破則言之過早,合作總要先有一段整併適應期。

Olguin說:「從許多方面來看,第一項合作主要是技術的轉移,生物打印的軟體設計還在寫命令列引數(commend line)的階段,即使如此,就算第一版軟體只有使用者介面、參數模型,以及過去10到15年用在電腦輔助設計的方案,就生物打印來說,仍會是一項重大的突破。」Murphy指出:「我們的團隊迫不急待想展開第一步,嘗試那些運用在3D軟體的操作方式,例如,我們之前不清楚什麼才是最好的操作路徑,但現在有這些軟體設計程序的工具輔助,我們可以更清楚掌握所有的可能性,以及在重複嘗試有效方法上更有效率。」

此外,Olguin深信這次的合作能讓Autodesk的程式設計師有不同的思維,他指出,這次的設計程序不同於以往傳統方式,過去工程師們所得到的成果,就是當初所設計的模樣,但這次利用幹細胞一層層打印出一組活的組織,設計師或工程師們必須要能掌握任何可能的意外生長狀況。


這一切聽來真的很不可思議,但真正的問題來了:我們何時可以用這機器打印出一副腎臟來呢?答案恐怕令人不甚滿意。
現階段就算要打印出一個略微精密的組織,像是能用來修補心臟病發引起的心肌肉組織,都還得等上數十年,但先別太失望,總是得一步步來,他說道:「之前已經成功地從病人取下的細胞打印出血管組織,因為全由人體細胞構成,因此可以擴張也可以收縮,韌性也足以供移植使用,只是還沒進入移植階段。」
Organovo研發平台上的第一個應用是打印簡單的組織,預期在五到六年後可進行臨床實驗。
這樣的時程以現今日新月異的智慧型手機發展來比擬,等同於一世紀那麼久,但就醫療研究而言,這可說是進展神速,在此之前,Organovo仍會持續研發,繼續經營會帶來穩定收益的藥廠事業,他表示:「這對剛起步的生命科學公司來說,可算是很少見的事情。」

Organovo在學術研究領域向來保持優良紀錄,不僅與史丹佛、哈佛大學合作,所發表的一系列論文更是引起生物醫學界不小的迴響,Murphy的終極目標是希望更多人投入實驗,他表示:「對我來說,想要讓實驗成功,必須讓我們的平台更開放,讓更多的人可以加入。」

只可惜,對那些想要扮演科學怪人博士的人來說,這樣的軟體或是Organovo的打印機短期內還沒有上市的計畫,但Murphy覺得,未來Organovo可以為生物醫學推出訂製服務,像Shapeways 3D打印購物網一樣,只是他們提供訂購皮膚組織的服務。

他進一步表示:「正確來說,整個3D打印的市場已日漸普及,到達一天可生產1千到1萬件可用產品的程度,相對而言,3D生物印表機仍在發展曲線的另一端,進展比較接近以前過時的記憶體:打孔卡階段,而不是現在先進的筆電時代。」


Autodesk跨足3D生物列印,開發可設計人類活體組織的CAD軟體

領先業界的CAD軟體公司Autodesk宣布它跟生物印表機製造商Organovo合作開發立體設計軟體,可用於設計和印製人類活體組織(living tissue)。對於軟體遍及工業和建築設計的Autodesk來說,這個領域可讓它將觸手伸進新領域,提供研究人員新工具。

Organovo的生物繪圖機(bioplotter)是少數可以製作活體組織的機器之一,運作原理跟標準桌上型立體印刷機很像,只不過所用的材料不是ABS樹脂,而是活生生的細胞。

製作活組織時,生物繪圖機將膠狀的原料印製成組織支架,然後將細胞放在支架上,之後會形成可用來發展新藥物的活組織。

價格和供貨量等相關細節都尚未公開,雖然資訊不多,但是兩間公司都對這系統的潛力感到興奮不已。

Organovo的執行長Keith Murphy說道:「對於發展立體生物印刷機的新軟體,Autodesk是一個很棒的合作對象。這次結盟將可以引領生物印刷的進步,像是提高系統彈性和內部產量,還有Organovo客製化生產立體組織的長期潛力。」

Autodesk資深副總裁暨科技長Jeff Kowalski說:「生物印刷有改變世界的潛力。這項技術結合了工程、生物學和立體印刷,因此對Autodesk來說是很自然的選擇,與Organovo合作探索這個新興領域、共同成長,將可以產生迷人且驚人的醫學研究進展。」

即使能夠解決為人類印製器官或是組織的技術難題,任何發展出來的成果都必須經過複雜的臨床試驗,以及美國食品藥物管理局和國際相關單位的審查。

不過,光是等著看醫學研究人員和擅於自己動手的生物駭客(編按:biohacker,對生物技術或是基因工程具有業餘愛好的人)到底會做出什麼,就令人感到雀躍不已。


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2012年12月27日 星期四

2013年值得繼續關注的十家新創公司 - 分析 (10 top startups to watch in 2013 )

碳奈米管記憶體專家Nantero

總部位於美國麻州的 Nantero 成立於2001年,專長於碳奈米管(carbon nanotubes)非揮發性記憶體技術;該公司在2006年曾以溝槽式(trench-based)元件架構引發話題,但之後又歸於沉寂。直到2012年,該公司將元件架構改為更具可擴展性的通孔(in-via)架構,並宣佈從兩家策略夥伴募得1,000萬美元額外資金。

Nantero 最近並與比利時研究機構IMEC宣佈一項20奈米以下節點的碳奈米管非揮發性記憶體合作開發計畫,IMEC官員期望該種記憶體可取代DRAM。如果該技術開發進度一切順利,可望在2013年發表更多進展,而該公司的策略伙伴也或許會現身。(Nantero官網:www.nantero.com)

新一代電晶體專家SuVolta

總部位於美國加州的SuVolta在2005年成立時名為DSM Solutions,一開始原本計畫進軍創新型態的接面場效電晶體(junction FET)市場,後來經歷了一次重新評估,並在2011年Scott Thompson任職該公司技術長後,以摻雜(doping)技術推出全耗盡平面電晶體(fully-depleted planar transistor)架構,取代過去其他業者使用絕緣上覆矽晶圓的方式(即FD-SOI)。

確實,SuVolta的PowerShrink電晶體所具備的深度耗盡通道可望提供FinFET與FD-SOI之外的n通道FET方案,但看來目前並沒有任何一家領先級IDM廠商或晶圓代工業者想嘗試。不過Globalfoundries執行長Ajit Manocha已經表示,該公司正在評估FinFET與FD-SOI之外的第三種製程──super-steep retrograde well (SSRW),基本上就是SuVolta所開發的技術。

SuVolta 的PowerShrink電晶體架構

目前尚不清楚Globalfoundries是否與SuVolta合作,或是兩者是各自獨立開發;無論是哪種情況,SuVolta的未來發展都值得繼續關注。SuVolta的PowerShrink電晶體製程可提供與FD-SOI類似的優勢,但不需要使用SOI晶圓;該種電晶體亦能達到部分FinFET的優勢。(SuVolta官網:www.suvolta.com)

獲得多家大廠投資的Tela

總部同樣位於美國加州、在2005年成立的Tela Innovations,成立之初在運算微影(computational lithography)領域與高通(Qualcomm)合作,研發雙重圖形(double patterning)的多光罩技術;該公司為標準單元邏輯、嵌入式SRAM、類比與I/O功能區塊,提供節省面積與減少漏電流的物理設計,並專長與客戶的IP開發團隊合作,將技術導入量產。

在2009年2月,Tela 收購了Blaze DFM並將PowerTrim納入技術陣容,接著與台積電(TSMC)建立合作關係,在2010年發表成果。Tela一直都很低調,但在2012年中表示該公司的設計庫已經可支援32/28奈米與22/20奈米製程節點。

Telsa提供為28奈米、20奈米與FinFET製程微影最佳化的標準單元設計庫

Tela的投資者包括Intel Capital、Cadence Design Systems、KT Venture Group (KLA-Tencor的投資夥伴)與高通,該公司並在2012年聘請了一位智財法律顧問(intellectual property legal counsel),其未來發展值得持續關注。(Tela官網:www.tela-inc.com)

新一代觸控技術開發者Senseg

芬蘭業者Senseg成立於2006年,專長開發觸控介面技術,是以靜電場來產生表面紋理的幻象,甚至是手指下按鍵的移動;該技術具備為觸控螢幕提供觸覺回饋的潛力,特別是運用在智慧型手機、平板裝置用的螢幕上鍵盤。Senseg的幕後金主是Skypet創辦人的投資機構Ambient Sound Investments。

Senseg藉由靜電將觸控螢幕進化為「有感覺」的螢幕

藉由調節手指上的靜電吸引力,能產生各種的感覺,包括表面紋理、邊緣、震動等等,該技術也能在不使用機械性震動的情況下製造觸感。Senseg在2012年6月任命Paul Costigan擔任執行長,他的領導在2013年將產出那些成果,值得期待。(Senseg官網:www.senseg.com)

矽晶MEMS專家Si Time

2003年成立的美商Si Time是一家專長微機電系統(MEMS)時序元件的半導體供應商;今年稍早,該公司與Vectron International、Knowles Electronics兩家公司建立策略夥伴關係,前者是石英時序元件供應商,後者是矽晶麥克風製造商,都對Si Time提供了資金。

矽晶MEMS技術將時序控制推向數位領域

雖然以上策略投資案的內容細節並未公布,但通常如果競爭對手公司願意拿出錢來,意味著這家廠商應該是做了什麼正確的事情。此外根據Deloitte 提供的統計數據,Si Time也是2012年度北美成長最快的半導體供應商。(Si Time官網:www.sitime.com)

Wilocity

以色列公司Wilocity成立於2007年,為筆記型電腦與PC週邊裝置開發60GHz無線晶片,傳輸速率號稱是目前WLAN的十倍;雖然市場競爭者眾,Wilocity顯然具備先行者優勢,在2012年宣佈了不少設計案以及夥伴關係的建立。

Wilocity 與Qualcomm-Atheros 聯手為戴爾的Ultrabook提供三頻解決方案

Wilocity的WiGig技術獲得戴爾(Dell)的最新Windows 8 平台Ultrabook採用,並與晶片業者Marvell、Qualcomm-Atheros聯手提供三頻Wi-Fi解決方案,將802.11ad標準推向運算、網路以及消費性電子應用領域。(Wilocity官網:www.wilocity.com)

共振時脈網狀網路技術供應商Cyclos
共振時脈網狀網路技術示意圖

總部位於美國加州的Cyclos Semiconductor成立於2006年,在2012年宣佈AMD首度商業化佈署其共振時脈網狀網路(resonant clock mesh)技術。採用Cyclos技術的是AMD 64位元處理器核心Piledriver,最高運作時脈4GHz,以32奈米bulk CMOS製程生產。

據了解,Piledriver的時脈分佈功耗可節省24%,時脈誤差(clock-skew)目標不受影響;而其技術優勢可望在2013年獲得英特爾(Intel)以及ARM核心處理器陣營的青睞,值得期待Cyclos有更多新成果的宣佈。(Cyclos官網:www.cyclos-semi.com)

想推99美元超級電腦的Adapteva

2008年成立的美國公司Adapteva執行長Andreas Olofsson,是在處理器架構以及募資/商業模式上具備創新觀點的人士;因為他使用晶圓共乘(multiproject wafer)來降低製造成本,以不到200萬美元的總投資額開發處理器IC產品,完成了四代的Epiphany系列多核心處理器。
EVK

而Olofsson更厲害的是利用Kickstarter這樣的群眾募資網站,籌到75萬美元進行打造個人超級電腦的開發案;該套命名為Parallella的產品將定價99美元,結合賽靈思(Xilinx)的Zynq系統單晶片與Adapteva的Epiphany處理器。

Olofsson募到的75萬美元計劃用來添購光罩組(mask set),嘉惠一個擁有近5,000名潛在客戶的開發者社群。當然,創新並不一定保證會成功,但這家公司的創新手法讓人期待他們明年度將有什麼樣的表現。(Adapteva官網:www.adapteva.com)

為物聯網、M2M應用推動新無線標準的Neul

英國公司Neul 成立於2010年,鎖定機器對機器通訊(M2M)與物聯網(IoT)市場開發廣域無線網路(wide-area wireless network)技術;該公司主導訂定Weightless標準,旨在推廣利用免授權電視頻譜空白頻段(television white space,TVWS)的網路。

Neul的第一款產品是針對TV空白頻段設計的無線系統,包含一個基地台、電池供電的終端裝置、天線,以及一組以PC為基礎的網路管理工具。據了解,該公司的創辦人是孕育新創公司的老手,其中有很多位也參與在1998年成立CSR。

在2012年,Neul獲得了ARM的大力支援,後者在Weightless工作小組投入了不少關注。而預期物聯網與M2M在2013年將持續火紅,包括英特爾與ARM都將在相關市場扮演重要角色;Neul又將會有什麼新發展?值得期待。(Neul官網:www.neul.com)

為伺服器開發ARM核心低功耗處理器的Calxeda

成立於2008年,總部位於美國德州的Calxeda原名為Smooth-Stone,是一家ARM處理器與軟體開發商,鎖定資料中心的低功耗伺服器應用,該公司在2012年宣佈增資5,500萬美元,使其資本額超過了1億美元。Calxeda已經推出32位元處理器EnergyCore,而隨著ARM公布了64位元ARMv8架構,預期該公司也會繼續針對伺服器市場發表新產品。

Calxeda 為伺服器開發低功耗處理器

ARM是Calxeda的投資者之一,該公司其他金主包括Austin Ventures、Vulcan Capital以及ATIC (Globalfoundries的老闆)、Battery Ventures、Flybridge Capital Partners與Highland Capital Partners。預期Calxeda將會在2013年成為ARM陣營與英特爾在伺服器戰場上的先鋒部隊之一。(Calxeda官網:www.calxeda.com)

分析
  • 以技術及產品轉成獲利觀點,Adapteva、Si Time、Senseg、Tela Innovations、Calxeda 是較有機會,台灣公司很少選有技術新創公司合作,其實這是很重要的,TPK 當年也是被 Apple Inc., 選為 capacitive touch screen 技術之公司才能突破 iPhone 創新產品的機會;
  • 台灣電子業占上市公司總營收為 68.89%,勞工人口也超過48%,是稅收主要來源,政府應該主動邀請及投資有專利、有技術之新創公司,提升台灣產業水準,才能創造未來;
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2012年11月4日 星期日

奈米天線 - 能源應用 ( nano antennas application and its future )

English: Idaho National Laboratory's history o...
English: Idaho National Laboratory's history of innovation, part 3. (Photo credit: Wikipedia)
新太陽能:彈性奈米天線陣列捕捉大量紅外光

研究者設計出一種廉價的方法來製造塑膠薄片,上面包含數十億根奈米天線(nanoantennas),能收集由太陽或其他來源所產生的熱能。這項技術在美國能源部 Idaho National Laboratory(INL)開發,是達成太陽能收集器(譯註:論文詳見 http://www.inl.gov/pdfs/nantenna.pdf)的第一步,那能夠在有彈性的材料上大量生產。

雖然將能量轉換成有用的電力仍待開發,但這種薄片有朝一日能當成一種輕量的「外殼(skins)」來製造,以比傳統太陽電池還要高的效率,為混合車到 iPods 的每樣東西提供動力,研究者表示,他們在 8/13 當天於美國機械工程協會在佛州 Jacksonville 所舉辦的 2008 年第二次能源永續性國際研討會上報告他們的發現。這種奈米天線也有潛力作為一種冷卻裝置,能夠從建築物或電子裝置中將廢熱吸出而無須使用電力。

這種奈米天線以中紅外線光(mid-infrared rays)為目標,當地球吸收了來自太陽的能量一整天後,它會不斷的以熱輻射出來。相較下,傳統的太陽能電池只能利用可見光,在黑暗中它們只得閒置下來。紅外線輻射是一種格外豐富的能量來源,因為它也會由工業製程所產生,例如燃煤發電廠。

INL 物理學家 Steven Novack 表示,工業界中的每個步驟都會創造廢熱,這些能量我們只是扔掉。Novack 領導這個研究團隊,那包括 INL 工程師 Dale Kotter、MicroContinuum, Inc. 的 W. Dennis Slafer,以及 Patrick Pinhero,現位於 Missouri 大學。
運用奈米天線早晚都能吸收太陽能,比現在技術高3~6倍之效率

奈米天線是微小的正方形螺旋狀黃金,被安置在一個經過特別處理的聚乙烯(PE,一種用於塑膠袋的材料)形態中。雖然他人已成功發明天線,那從電磁頻譜的低頻區域,例如微波,收集能量,但紅外線光已被證明更難以捉摸。部份原因是,材料的特性在高頻波長時會大大地改變,Kotter 說。

研究者們研究了各種材料 -- 包括金、錳、銅 -- 在紅外線光之下的表現,並利用所產生的資料建構奈米天線的電腦模型。他們發現,在正確的材料、形狀與大小下,受激的奈米天線能夠在紅外線波長中收穫高達 92% 的能量。

該團隊接著創造真實的原型以測試他們的電腦模型。首先,他們使用傳統的製造方法以奈米天線圖案來蝕刻矽晶圓。基於矽的奈米天線與電腦模擬相符,在預期中的波長中吸收超過 80% 的能量。接著,他們使用壓印與重複( stamp-and-repeat)的製程使奈米天線凸出(emboss)在塑膠薄片上。雖然塑膠原型仍在接受測試,初步實驗指出,它也能在期待的紅外線波長中捕捉能量。

奈米天線吸收紅外線輻射的能力使得它們有希望能成為冷卻裝置。因為物體以紅外光的方式發散熱,這些奈米天線能收集這些光線,並且以無害的波長重新散發能量。這樣的系統能冷卻建築物與電腦,而不需要空調或風扇所需之外部動力來源。

但是在奈米天線能將它們的能量轉換成電流之前,仍需要更多技術上的進展。紅外線光能在奈米天線中創造出交流電,那每秒振動數兆次,需要一種稱為整流器的元件將交流電轉換成直流電。今日的整流器無法處理如此高的頻率。"我們需要設計奈米整流器(nanorectifiers)那能與我們的奈米天線相配," Kotter 表示,提到奈米尺度的整流器將需要比當前的商業化裝置小 1,000 倍,而且將需要新的製造方法。其他可能性是開發電子迴路,那也許能將電流減緩到可用的頻率。

如果這些技術障礙能被克服,奈米天線有潛力成為太陽能電池更便宜、更有效率的替代者。傳統的太陽能電池倚賴化學反應,那至多只能讓它們收集到的 20% 可見光有作用。科學家已開發更複雜的太陽能電池,具有更高的效率,但這些模組太過於昂貴以致於無法廣泛使用。

在另一方面,奈米天線能經過調校,倚靠其形狀與大小獲得特定波長。這種彈性有可能創造出雙面奈米天線薄片,那能夠從太陽光譜中的不同部份收穫能量,Novack 說。該團隊的壓印與重複製程也能夠拓展到大規模的輥與輥製造技術,那能以每分鐘數碼的速率印出陣列。這種薄片有可能覆蓋建築物的屋頂,或構成消費性電子產品,如手機、iPods,的「外殼」,提供連續不斷的、廉價的再生能源。

陪電波跳舞的單奈米碳管天線! ( Real single nanotube radio plays Layla )

在每個家庭都有很多不同種類的天線, 用來接收不同的頻率的電波訊息. 一般的天線大概就是靜靜地保持某個合適的姿勢來接收電波, 讓電波引起的電場在天線上共振. 這樣的共振的電子訊號在被解譯成各種資訊. 但是, 在很小很小的尺度上, 電波引起的天線電場的震盪是看真的會讓天線跳起舞來的. 這種電場跟機械震盪的偶合, 現在在單個奈米碳管所構成的天線上被紀錄到了!



影片中細細的那條東西, 就是在電子顯微鏡下的奈米碳管. 一開始的時, 這奈米天線找不到電波的頻訊, 所以就不動, 後來影片傳出歌聲, 表示找到電波的頻率. 開始接收電波以後, 電波引起的局部電場變化 讓整個奈米碳管都動了起來. 所以再聽到音樂的同時就看不到奈碳管, 因為他正在快速震盪. 換句話說, 奈米碳正跟著要接收的電波一起跳舞的呢!

夜晚的太陽能

太陽照射產生光與熱,取之不盡,在晴朗的熱天,太陽照射每平方公尺的光滑平面,約有一千瓦的能量,問題是怎麼採集。太陽電池的吸光板,是最常見採集能量方式,吸光板的基本原理,是把太陽的光、轉換成電,即是所謂的光電效應 (Photovoltaic Effect)。吸光板的材料是矽半導體,陽光照射有一部份穿透、一部份反射,而另一部份則為矽半導體吸收,受到光線的刺激,半導體內的電子開始鬆動,加以電場引導,鬆動的電子就開始流動,成為電流。所以太陽照射就來電,太陽下山就沒電,當然可以用電池來儲存備用。

   夏日炎炎,太陽雖然下山仍是悶熱,原來陽光白天照射地面,一部份被地面吸收的熱能,在晚上釋放出來,所以仍感覺到熱,但太陽能電池僅能吸收光線,轉換為電能,卻不能吸收熱能轉為電能,這一教人覺得可惜的現象,現在有解了。就在上週,美國愛達荷國家實驗室 ( Idaho Nationbal Laboratory ) 發表研究報告,說與業界學界共同研發出一種便宜的能源技術,可以印在軟性材料上,而且天黑之後仍能製造能源。這個技術,是把導電的金屬線製成極小的螺旋方塊,連在一起放在膠布上(如圖、點選放大),作為採集熱能的器具,估計可以採集到 80% 的太陽能量,而現在的太陽電池,僅能採集到 20% 的太陽能。

   上面說的螺旋金屬方塊,形狀有如天線,而且小到奈米程度,僅有頭髮粗細的 25 分之 1 大小,研究人員稱為奈米天線 (Nanoantenna)(如圖、點選放大),所接收的信號,就是太陽的熱能、也就是紅外線,包括太陽白天照射地表、晚上以紅外線的型態釋放出來的熱能。奈米天線雖小到原子層次,但仍舊是天線,依天線的原理與紅外線頻率產生共振,製造交流電流。

   這一技術所以會運作成功,當然是拜奈米科技之賜,奈米技術把東西越做越小,而且發揮各種特性。奈米天線日夜都能運作,效能較目前的太陽能電池大幅提昇,研究人員期望找出更好的組合與製造方法,把奈米天線製成一卷,好像現在的保鮮膠膜、或是鋁箔紙,才好廣為應用。目前已經能在六吋大的材料上,印製 1000 萬個奈米天線。

   研究人員很興奮,認為這一奈米能源技術,將來很可以替代目前的吸光板,因為吸光板主要用矽的半導體作材料,不但供應少、價格高,還要塗抹有害的材料來提升效益。奈米天線就沒有這些缺點,可以使用多種導電的材料製作,而且很容易印到薄軟如塑化的材質上。為了快速製成成品,研究人員構思用便宜的現成材料製造,希望便宜到低價位地毯的價格。至於應用的地方,那就多了,可以用到手持電器給電池充電、安裝到住家房頂供室內照明,甚至進一步與布料結合,做成自動發電的衣服。

   新技術總會想到以後怎麼樣的廣為應用,但從實驗室走到商場,並不那麼容易。奈米天線在製造上或許較為簡單,但如何儲存與傳送所產生的電能,仍是一大挑戰。紅外線固然可以產生交流電,頻率卻在原子的層面,高達每秒鐘 10 兆次,而我們用的電器每秒鐘僅需 60 次,研究小組正在研究降低頻率的方法,並且轉換成直流電可以儲存到電池。研究小組,已經有多種能源轉換技術申請專利,成員仍然樂觀的認為不出幾年,新一代的太陽能採集方式,即將普及問世。

   太陽能取之不盡、用之不竭,地球上不能補充的能源即將耗盡,日後必會有更多的研發打太陽的主意,更方便的技術來採集、轉換、儲存、傳輸太陽的能量,奈米科技也必繼續扮演重要角色。

重點分析
  • 數十億根奈米天線技術,是把導電的金屬線製成極小的螺旋方塊,連在一起放在膠布上,作為採集熱能的器具,估計可以採集到 60% ~ 70% 的太陽能量,比現在的太陽電池,僅能採集到 20% 的太陽能更有效;
  • 在正確的材料、形狀與大小下,受激的奈米天線能夠在紅外線波長中收穫高達 92% 的能量;
  • 以奈米天線技術吸收80% 的太陽能量,可以直接點亮 LED 路燈,許多城市可能設計都改變;
  • 數十億根奈米天線技術,作為採集熱能的器具,估計可以採集到 80% 的太陽能量,白天晚上都可以採集太陽能量,就足以省上許多儲能系統成本,使整個競爭成本遠低於現在光伏太陽能發電系統。
  • 未來也可以用石墨烯高度有效地將光能轉化為電能

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