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 終極綠能-核融合簡介

終極綠能-核融合簡介

Ⅰ . 前言
這個夏天, 世界極不平靜。在臺灣七月底八月初的大雨造成不僅財務上的損失,更有不幸的傷亡。極端的高溫更是史上罕見,北京的水改道,就連夏威夷都有森林大火,極端氣候肆虐地球已經是新常態,這些異常的天氣也許都是人類自己造成的,姑且不論2050 零排碳是否能及時拯救地球,挽救人類免於環境惡化的災難。但做總比不做好,世界各國都朝這個方向努力。為了完成2050 零排碳的目標,各國把各種綠能推上檯面,例如:太陽能、地熱、風能,和傳統的核分裂電廠。核融合當然是一些科技先進國家的選項之一。筆者認為核融合是終極綠能,它應該在零排碳的計畫中擔任一定的角色,但是目前沒有商轉的核融合電廠。英國、中國和美國計劃在2040-2045 有小型的核融合發電廠,以加入零排碳的行列。所以2050 是核融合研發成果驗收的關鍵年;如果到時核融合無法參與零排碳的陣容,大規模的核融合研究大概也走到了盡頭。核融合的研發已經有將近一百年的歷史,從開始由一小群人在少數幾個國家內從事研究,到現在形成一股世界洪流,有成千上萬位科學家和工程師參與其中,橫跨數十個國家的研究人員努力地要完成核融合發電的目標。目前在所有的核融合裝置中離發電最近的是托克馬克(Tokamak),其他裝置的參數例如慣性(Inertial)核融合,仿星器(Stellarator)等,都比托克馬克落後一兩個數量級,所以第一代的核融合電廠最可能的是托克馬克電廠。第一代核融合電廠最有可能是用氘和氚做燃料,氘和氚是氫的同位素,這是因為相對於其他反應氘和氚融合反應的機率高,且所需溫度在20 keV 左右,是所有核融合反應中比較容易達成的。氚是有放射性的,它釋放出貝它粒子,氚的半衰期是12.33 年,因此氚是要小心處理的。
 漫談石墨烯超晶格

漫談石墨烯超晶格

1. 晶格與倒易晶格
為了介紹超晶格(superlattice),我們得先從晶格(lattice)談起。晶格是介紹固態物理最常見的出發點,廣義來說是指一群點所形成的陣列,可以是有限大,也可以是無限延伸,可以是規則,也可以是不規則。當然,固態物理所關心的晶格,指的是無窮延伸且規則分布的點。對於某個晶格,假如可以找到一組原始向量(primitive vector),使得任一個晶格點的位置向量,都可由這組原始向量的整數倍疊合而成,且無一例外,那麼這個晶格就是個布拉菲晶格(Bravais lattice)。這個定義也可以換句話說成:假如有一組原始向量是 \(\textbf{a} {1},\textbf{a} {2},\textbf{a} {3}\)(當然,若是二維晶格,就只需要 \(\textbf{a} {1},\textbf{a} {2}\)),使得考慮 \(n {1},n {2},n {3}\) 之所有整數後便能讓晶格向量(lattice vector)
\(\textbf{L}=n {1}\textbf{a} {1}+n {2}\textbf{a} {2}+n {3}\textbf{a} {3}\)      (1)
無一例外地描述了某個晶格的每個晶格點,則該晶格為布拉菲晶格。以對稱性質來分類的話(這其實是個涉及群論的大工程),三維空間只有十四種布拉菲晶格,二維則只有五個。常聽到的體心立方(bcc)與面心立方(fcc),就是十四種三維布拉菲晶格當中的兩種,而近年熱門的二維材料石墨烯(graphene),就是五種二維布拉菲晶格當中的一種:六方晶格(hexagonal lattice)。
 局域化與多體局域化

局域化與多體局域化

緣起2023 年初在主辦物理年會關於強關聯量子系統的動力學主題論壇後,想利用寒假時間把學習到的主題再深入思考。就在看似悠閒實則忙碌的寒假中收到物理雙月刊的邀稿,希望我寫一篇關於局域化物理的科普文章可以刊登在六月的物理雙月刊中。我的第一個反應是:太棒了!有一個機會可以介紹凝聚態物理許許多多有趣面相中的其中之一。但是要完成一篇可以激起新一代科學家研究興趣、不失科學精確性、抽出物理概念精妙之處的科普文章,著實是一大挑戰。點開行事曆一看,在色彩斑斕的許多承諾中,考量到我常常講著講著就放飛自我,思緒不規則跳躍,我覺得我還是保守一點,乖乖寫一封信跟雙月刊爭取多一點寫作時間。在接下這個寫作任務的時候,我也在問自己一個問題:這篇科普文章的目的是什麼?怎麼樣幫助整個社群?怎樣幫助對物理感到好奇的不同世代?在這5500 字的篇幅裡,我希望可以勾勒出局域化現象在整個物理研究的脈絡中扮演什麼樣的角色。並且用定性描述對比不同物理機制的關鍵特色(所以讀者可能幾乎不會看到方程式)。留下物理圖像以及相關的文獻讓有興趣的讀者可以跳脫科普語言,更嚴謹的去認識這個現象。為達到這個目標,在討論局域化現象前我們先對包含局域化現象的凝聚態物理的研究骨架做個簡介吧!
 漫談力學生物學

漫談力學生物學

細胞是生命最小的單位,了解細胞的運作一方面是滿足人類對於生命如何運作的好奇,另一方面提供疾病治療的線索,因為許多疾病的來源是來自於細胞失去正常的運作。傳統上,生物學家在研究細胞,著重在基因、化學物質對於細胞的影響,忽略各種物理因素對於細胞的影響。到了二十一世紀,科學家已經確定物理因素會影響細胞維持生理功能。例如細胞需要施力才能維持正確的細胞形狀或者移動,身體裡的細胞承受著各種外力,例如血流、肌肉收縮、重力,維持健康的生理反應,觸覺、聽覺都是力學刺激,細胞對於這些力學刺激有適當的訊號傳遞,維持正常的功能,失去適當的力學刺激或者失去對於力學刺激的訊號傳導都會造成疾病[1]。例如太空人在沒有承受重力下,一個月可流失1% 的骨頭,得到骨質疏鬆症,骨質疏鬆症在老化的社會中是是現今流行病學的一大問題,目前並沒有藥能治癒這個病。血管硬化是跟不穩定的血流形態造成不正常的剪應力,影響了內皮細胞的表現。如果細胞對於力訊號傳導過程出錯,會造成疾病,例如有一些癌症,有些耳聾就是耳朵內的毛細胞,無法將聲音的力學訊號傳遞出去,還有一些跟力傳導相關的蛋白質突變也都會造成疾病。生命發生時,受精卵所需的資訊都儲存在基因內,但是在整個胚胎發育的過程中,細胞的成長、移動、與鄰居細胞的相互推擠都會反饋到細胞內,有些反饋能導致細胞分化成不同功能的細胞,最後變成一個個體,現在科學家相信細胞所處的力學環境影響整個發育的過程。
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