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「負離子」真的有拿~麼厲害?——《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》

商周出版
・2020/10/15 ・2725字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 作者/陳瑋駿

「負離子」在商品化的過程中算是被徹底濫用了,負離子的走紅,完全可說是拜商業行銷所賜。

什麼是負離子呢?

跟「陰離子」差別又在哪?雖然本質上來說,負離子與陰離子原本應指一樣的事物,只是翻譯上的問題,但若以商品化的初衷,負離子往往被視為「帶有電子的空氣」。

雖然這並不是一個科學正確的名詞,不過為了接下來討論方便,我們先遷就大多數人的慣性稱呼,叫它負離子吧。但別忘了,這裡所說的負離子,是「帶有電子的空氣」

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為何讓空氣攜帶電子就可以賣錢?

這跟一個小遊戲有關。你有玩過氣球摩擦頭髮的遊戲嗎?因為氣球本身材質的緣故,與頭髮摩擦時,可從頭髮中得到少量電子,形成所謂的「靜電」。你會發現,氣球在摩擦頭髮後稍微拿開,不要離頭皮太遠,你可以看到髮絲會微微豎起,彷彿被吸附在氣球上。

事實上,氣球能吸附的不僅是頭髮而已,還可以吸起小碎紙片,還有灰塵微粒。同樣回過頭來看,「帶有電子的空氣」就像「帶有電子的氣球」一樣,可以吸附空氣中的小灰塵,進而達到空氣清淨、除塵的效果。不過,無論是空氣或氣球上的電子都無法久留,不消幾分鐘就會跳出去而回到原本不帶電的狀態。

玩氣球摩擦頭髮的遊戲時,將氣球拿開後,可以看到髮絲微微豎起。圖/商周出版

經過解釋之後,你是否覺得負離子並不是什麼特別先進的技術?不過,空氣不像氣球那樣可以抓來摩擦頭髮,那麼要如何吹出充滿負離子的空氣呢?

很簡單,只要在吹風口加裝一個所謂的「負離子產生器」就可以了(這玩意兒超便宜,不信去 Google 看看)!它會透過通電,讓電子們在一個金屬尖端上集合,當空氣通過金屬尖端時,會順手抓了點電子帶走。於是帶著電子的空氣就此啟程,接著就像前述的氣球例子一樣,把空氣中微小的髒汙粒子給吸住啦!

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雖然商人口中的負離子不是一個「科學正確」的名詞,但既然有所謂的負離子,相對來講有「正離子」嗎?如果有的話,它們又有什麼用呢?

你有到過瀑布旅行嗎?是不是許多人都會形容,在瀑布旁呼吸時空氣特別清新?沒錯!瀑布周圍的空氣往往比較乾淨。

這不完全是因為森林裡汙染少的緣故,而是瀑布下墜的水珠在與空氣摩擦時,少量的電子會從水珠短暫轉移到空氣中,此時不只是空氣,其實就連小水珠也具有吸附灰塵微粒的功能,而小水珠正是「正離子」。

所以透過正、負離子的幫忙,空氣特別乾淨清爽(同樣的,大雨過後的空氣是不是也很清新?)!

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瀑布下墜的水珠在和空氣摩擦時,少量電子會從水珠轉移至空氣中。圖/商周出版

如果還不相信「正離子」的存在,再拿著氣球摩擦頭髮看看吧!當氣球離開頭髮之後,試試看,找一些小紙片靠近頭髮,頭髮是不是一樣可以把紙片吸起來呢?這是因為電子從頭髮跑到氣球的緣故,此時的頭髮短暫失去了一些電子而帶正電,證明了正離子也有一樣吸附塵埃的作用。

日本伴手禮第一負離子吹風機怎麼來的?

負離子的應用還不止於「吸附」,若應用得宜,負離子的另外一個特性—「互斥」也能成為生財工具。例如近年極受歡迎的負離子吹風機,幾乎是所有旅日觀光客搶購家電名單的第一名。許多人使用後發現,一般吹風機是使用大量熱風吹乾頭髮,但吹乾效果卻遠不如負離子吹風機那麼好,這到底是怎麼回事呢?

首先,來談談為什麼吹風機要搭載負離子產生器?

要知道,負離子與負離子之間並不是互相吸引,而是互相排斥。在負離子被吹送到頭髮之後,電子跳到頭髮上面,頭髮之間便「相看兩厭」不容易糾纏在一起,進而維持髮絲之間的秩序,頭髮便相對容易快乾。

許多人認為負離子吹風機吹乾效果比一般吹風機好,但真的是負離子的功勞嗎?圖/giphy

但這樣子講對負離子來說的確是有些過譽,因為要快速吹乾頭髮還得考慮風量、溫度等因素,不同機種的參數也不盡相同,或許負離子還不是最關鍵,只是讓價格水漲船高的推手之一。

如果要證明負離子縮短了多少時間,最科學的方法,便是將吹風機的負離子產生器移除掉,用一模一樣的手法、在一模一樣的環境下吹頭髮。不過對業者來說,這也許是一個相當冒險的實驗,要是吹乾時間相去不遠,「負離子」可能就此跌落神壇,所以市面上似乎還看不到同款吹風機做出搭載與不搭載負離子的版本,也許就是這個原因吧?

今晚,我想來點負離子粉……

不過,要產生負離子的手段還不只有透過摩擦或通電來達成,只要觀察琳瑯滿目市售的負離子商品,相信不難看到負離子水壺、負離子床墊、負離子涼被⋯⋯負離子如此百搭,彷彿食衣住行都可以 feat. 負離子。

但這些日用品可沒有藏著一隻「皮卡丘」,偷偷幫你放電來聚集電子,其中的奧祕,便是在這些商品的製造過程中,摻入所謂的「負離子粉」

負離子粉其實也不是什麼神祕的黑科技,而是摻入了一些具有放射性的成分在裡面,在之後的章節我們會談到輻射線,現在你只要知道,這股能量足以讓空氣裡的電子短暫的脫逃,產生正、負離子。

但這類的負離子產品就不得不小心看待,因為這類輻射線能量較高的產品,如果是設計為長時間穿戴,就必須當心是否輻射劑量過高,如劑量越高,長久下來對人體造成傷害的風險也就越高。

所以,有「負離子」就有保庇嗎?

說到這裡,我想你一定能明白,不管我們用哪種手段製造出所謂的「負離子」,本質上就只是帶有電子的空氣。然而,如果你追求的是療效,目前在醫學上還沒有明確且一致的證據支持負離子對人體有益處。

因此想要購入負離子的商品來求個心安的同時,最重要的還是留意產品是否符合安全規範,否則讓來路不明的商品傷了身,還賠了荷包裡的辛苦錢,這個嘔氣的心理傷害也許比生理上的傷害還來得顯著吧!

——本文摘自泛科學2020年10月選書《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》,2020 年 8月,商周出版
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嗶——超速了!什麼?聲音竟然有「速限」
林祉均
・2020/11/11 ・1874字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

光速是宇宙的終極速限,任何的物質運動和資訊傳遞都不准超速。不過最近有人做出了最新預測,除了一般物質外,聲音的傳遞速度竟然也有最大上限?

不管是光(電磁波)還是聲音,都是以波動的形式傳播。值得注意的是,波速只會跟系統本身性質(例如:介質不同)有關,一般的繩波或是水面波同樣也是如此,不論震動得多用力或多快,都不會讓波跑的更快或更慢。

我們可以把聲波的傳遞想像成下圖中的彈簧。既然彈簧波的速度可以用彈性係數和彈簧質量來表示,同樣的,聲速應該也可以用某些性質來描述。

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可以把聲波的傳遞想像成圖中的彈簧。圖/Shyam Srinivasan

先從聲音的性質說起

聲音在不同材料中傳遞的差異,可以用體積模數(Bulk Modulus,簡寫 B )來表示。體積模數代表物體在面對外部壓力時,會做出多少體積上的改變。數學上可以寫成:

等號左邊是施加的壓力,右邊是體積模數 B 乘上體積變化量占總體積的比率,負號只是習慣,這代表相同壓力下,B 值越大物體越不容易壓縮,和彈簧的 F=-kx 類似。我們知道越「硬」的彈簧反應越快,可以更快地傳遞波動;同樣地,比起在空氣中傳遞,聲速在較難壓縮的液體和固體中會比較快。因此不難看出,B 會與聲速扯上關係,而且 B 值越大聲速越快。

聲波在固體傳播的速度比在空氣中快。圖/giphy

一般來說,聲速可以寫成:

分子就是上面提到的體積模數 B,而分母的材料密度則表示介質越稀疏,聲速越快。國中學過的聲速與溫度成正比便是這個道理,當溫度變高時,空氣體積膨脹,密度變小,因此聲速傳遞更快。

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為什麼聲速有上下限?

不過公式中的 B 和材料密度都是需要透過實驗獲得的材料參數,因此很難看出聲速會有什麼上下限。如果要再往前一步,就必須進入微觀的原子尺度。想像兩個同極相斥的磁鐵,彼此互相靠近時,斥力會逐漸變大;這是因為隨著兩個相斥磁鐵逐漸靠近,抵抗靠近的磁力位能會逐漸增加。

當兩個同極磁鐵互相靠近,因抵抗靠近的磁力位能增加,斥力會逐漸變大。圖/giphy

同樣地,當原子間的鍵結能量增加,將兩顆原子拉伸或壓縮的難度會隨之上升,物體也就越不容易被壓縮。也就是說,體積模數 B 正比於單位體積內原子間的鍵結能量,巧合的是,材料密度也能寫成單位體積內的原子質量,於是我們可以將聲速寫成:

一般固態物質中,鍵結能量可由古早的波耳氫原子模型導出,大約是 α2c2me / 2(原子質量),α 是一大串常用的物理常數,c 是光速,me 是電子質量。於是我們在原子尺度的物理圖像中,得到了聲速的新公式:

公式中的英文字母都是常數,唯一重要的是原子質量,原子質量越小的聲速便越快。依照理論,聲速最快的會是原子量=1 的固態氫原子,聲速為 36100m/s 。

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聽起來很厲害,實際上真的是如此嗎?

針對一系列不同原子量的固態元素,我們可以看看他們的聲速是否的確符合預期。不過因為 B 的實際值和鍵結種類,晶格結構等複雜因素有關,因此並不會完全落在理論線上,不過整體的趨勢十分吻合。

固態元素中聲速對原子量的對數圖。斜直線為斜率 -0.5 的理論預測,虛線為擬合直線。紅點為原子量=1時的聲速上限。圖/Science advance

有趣的是,如果我們將新的聲速公式移項一下,會發現聲速上限對光速的比率,可以用簡單的物理常數來表示,這點是前人使料未及的。這結果或許不像光速這麼絕對,不過仍然是一次很漂亮的科學推理,也為固態物理的理論與實驗提供了嶄新的發展題材。

參考資料

  1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.
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林祉均
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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冰與水之歌:零度以下不結冰,魔鬼藏在密度裡!
林祉均
・2020/11/05 ・1932字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

在座各位地球人肯定對「水」一點不陌生。不論是液態水還是固態冰,在生活中都隨處可見。但如果你以為我們已經完全了解水和冰的構成與變化,那你可就錯了,因為它可是超乎想像的複雜。

冰也會七十二變?常見的物質竟然有這麼多型態!

學校裡教過的三相圖將水區分成固、液、氣三種相(Phase)。不過除了這種簡單的分類,固態的冰在不同的壓力與溫度條件下其實還有許多不同面貌。

小時候學過水的三相固體、液體、氣體,除此之外,其實固態冰還有其他型態。圖/Pexels

一般條件下,自然結凍的水只會呈現六角結晶或立方結晶,兩種晶體結構合稱為「冰一」(Ice I)。你可能有些好奇:既然有一,那或許會有二(咦)

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沒錯!目前已知的冰共有二十幾種型態,比 iPhone 的型號還多!只是除了冰一之外,其他的型態都極為少見。

所謂少見是有多少見呢?

一直到 2017 年時,科學家才首次在實驗室中合成出冰七(Ice VII),這種稀有的結晶形態通常只有在彗星或系外行星上才見得到,因為它需要超大的壓力(例如:兩個含冰量豐富的小行星體對撞),才有可能形成。

實驗室中高壓環境下合成的冰七 。圖/實驗團隊(A. E. Gleason)提供

相隔一年後,另一組研究團隊利用 X 光繞射技術,在世界各地的鑽石中發現冰七的蹤影

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為什麼鑽石中會有冰七?推測原因是由於當初在地底時,有少量水分被困在高溫高壓的鑽石礦脈中,而後這些水分隨著鑽石一同被挖掘到地表,雖然溫度下降到普通室溫,但堅固的鑽石內卻仍然維持著高壓。如此獨一無二的條件,讓冰七得以自然生成。

零度以下也不結冰?神秘的過冷水!

光是固態冰就有這麼多花樣了,水結冰的過程同樣也是科學家有興趣的主題。在 Science 期刊上最新的研究發現,過冷水其實是由兩種結構不同的形態混搭而成。

一般的情況下,零度以下的水需要一些雜質或擾動來「啟動」結晶的過程,才能凝固成冰。在缺乏這些條件時,水可以在零度以下仍維持液態,也就是所謂的「過冷」。

關於過冷水的理論模型可說是眾說紛紜,因為這種狀態十分不穩定,輕微的干擾就會讓過冷水全部結晶,讓實驗學家十分頭痛。另外,也很難單從實驗中觀察並判斷過冷水不結晶到底是不是因為還未達到熱平衡。

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過冷水的狀態不穩定,稍微干擾就會全部結晶,也讓實驗學家十分頭疼。圖/giphy

以往的相關研究通常只能依賴分子模擬,不過最近在實驗上有了最新突破。

美國西北太平洋國家實驗室的研究人員準備了一片僅有 15 奈米厚的薄冰,接著利用短暫的雷射脈衝,極速加熱一小塊區域,使其轉為液態過冷水,直到它很快地降溫並重新結晶。

整個過程只有短短幾十奈秒,不過,這個突破已經足夠讓我們使用紅外線光譜來測量過冷水的分子結構。

結果發現,早在結晶開始的短短的幾十奈秒之間,過冷水就找到了它最舒服的平衡狀態;這個狀態還是由兩種結構不同的液體型態所組成,分為高密度與低密度結構,密度分別約為 0.9 和 1.1 g/cm3

實驗發現,過冷水中高密度水所佔的比例,會隨著溫度降低逐漸減少。也就是說,過冷水能在低於攝氏零度的環境下維持液態,很有可能是兩種不同密度的水比例不同所造成的。

其實,這種特殊的二元性質也能在一般常溫的液態水中看到,分為四面體和非四面體結構。不過這類的現象在過冷水是首次被發現,也為水在低溫時的行為提供重要的實驗數據。關於水的各種理論模型,我們終於得以區分何者較接近真實。

參考資料

  1. Water structure and science
  2. Gleason, A. E., Bolme, C. A., Galtier, E., Lee, H. J., Granados, E., Dolan, D. H., … & Swift, D. (2017). Compression freezing kinetics of water to ice VII. Physical Review Letters119(2), 025701.
  3. Tschauner, O., Huang, S., Greenberg, E., Prakapenka, V. B., Ma, C., Rossman, G. R., … & Tait, K. (2018). Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science359(6380), 1136-1139.
  4. Kringle, L., Thornley, W. A., Kay, B. D., & Kimmel, G. A. (2020). Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. Science369(6510), 1490-1492.
  5. Shi, R., & Tanaka, H. (2020). Direct evidence in the scattering function for the coexistence of two types of local structures in liquid water. Journal of the American Chemical Society142(6), 2868-2875.
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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加進沙士裡的鹽巴背後藏有什麼秘密?——《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》
商周出版
・2020/10/16 ・1238字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 426 ・四年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 作者/陳瑋駿

二氧化碳全員逃走中!在成核點集合吧!

想要把二氧化碳從汽水裡面趕出來,除了加熱以外,不知道你有沒有喝過加鹽沙士的經驗,我指的不是外面已經加好鹽巴的那種,而是自己買沙士回來之後,拿家裡的鹽巴丟下去。

相信只要你有做過這件事,看到加鹽之後的變化印象一定很深刻,因為每加一匙鹽巴,就會有相當綿密的氣泡大量從杯中湧出。這是因為鹽巴加入的瞬間,提供了一個非常好的「成核點」讓二氧化碳聚集,這是什麼意思呢?

剛開瓶的碳酸飲料,裡面的氣泡還相當旺盛,只要你稍微仔細觀察一下,氣泡生成的位置並不是平均分散在飲料的每個地方,你會發現氣泡是由瓶壁「長」出來的,甚至當你把汽水倒到杯子裡,把手指放進去水中,氣泡也會從你的手指「長」出來。

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將碳酸飲料倒進杯子時,會發現氣泡沿著杯緣「長」。圖/Pixabay

事實上,由於二氧化碳想要從水裡逃脫出來的時候,必須要想辦法克服水分子之間的吸引力,因為當一個氣泡要生成,勢必將要占有一定的空間,因此就必須試圖「推開」氣泡周遭的水分。

揪團「越獄」的二氧化碳

只不過,水分子之間的吸引力對他們來講就好像是一個監獄,光靠自己一個人的力量是無法推開周遭的水分子而「越獄」變成氣泡的。

這個時候你就可以看到,二氧化碳之間的互動可是很有「人情味」的,俗話說團結力量大,既然一個人力量不夠,那麼二氧化碳們就靜候佳機,若有機會相遇便會互相集結成團,等人數夠多、時機成熟了再一起飛走,而這才是你在外觀上所看到的泡泡,但由於二氧化碳平均分散在水中,他們可沒有手機傳Line 相約,所以要提高他們相遇的機會,我們可以替二氧化碳設立一個「地標」, 也就是我們所謂的「成核點」。

二氧化碳們靜若有機會相遇便會互相集結成團,等人數夠多、時機成熟了再一起飛走。圖/giphy

成核點的意義在於它可以讓二氧化碳立即明白到:這個地方能快速找到同伴,大家一起壯大聲勢,脫離水中。

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什麼東西可以做為成核點呢?

一般來說,粗糙不平的固體表面是絕佳的場所,這裡的粗糙不平不是指人類感受的層級,對二氧化碳來說,甚至是器皿內壁上輕微的刮傷,都能成為成核點,所以像寶特瓶的瓶壁、你的手指,還有我們加鹽沙士的主角——鹽巴都是一個能讓二氧化碳聚攏的場所。

——本文摘自泛科學 2020 年 10 月選書《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》,2020 年 8 月,商周出版
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