2016 七月號
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第128期電子報  出刊日期:1050715


科學新文摘

 

又硬又超展開!清大葉均蔚讓高熵合金材料發光發熱

今(2016)年五月, Nature 期刊刊出一篇很特別的專題報導,文章主角來自台灣。目前在清大材料工程學系任教的葉均蔚, 2004 年提出「高熵合金」( High–Entropy Alloys )概念,突破合金材料學過去認為合金種類越多、脆性化合物越多的迷思,開啟了「金屬調和學」的新領域,論文一發表立刻引來國際關注,如今知名國際期刊還主動跨海採訪,讓台灣在高熵合金的領域上領先全球。

清大材料工程學系葉均蔚教授,開創高熵合金材料領域,並於 2014 年與其他兩位學者共同出版教科書。圖/清華大學秘書處

高熵合金:降低傳統合金的脆性化合物

雖然人類從遠古的鐵器時代就開始以金屬作為製作工具的材料,傳統合金發展也超過數十年,但過去合金製作總是不脫「以一個金屬為主」、加入少量鋅、鎂、銅等元素合成的方式。這是由於當金屬添加種類越多、就越容易產生脆性化合物,這類化合物一旦增加,材料延展性、硬度都會跟著下降,連帶縮小使用範圍,也因此過去一直沒有人踏出第一步嘗試。

而葉均蔚卻逆向思考提出高熵合金的概念,他將五種以上的金屬混合,以每個主元素原子百分比介於5% 至 35%、每個次元素小於 5% 的比例製作,結果意外開啟了「高熵合金」新領域(參考:多元高熵合金薄膜)。清大校長賀陳弘甚至形容,這是一個「不簡單的成就」。

驗證高熵效應 定義原理樣樣自己來

這樣的新嘗試其實立基在「高熵效應」這個熱力學的理論上。首先得解釋「熵」這個專有名詞,它其實是熱力學上代表亂度的參數,一個系統的亂度越大、熵也就越大。科學家發現,當金屬元素增加時,高熵效應反而會促進元素間的混合,讓每個元素的原子在原子層之間隨機散布,不會形成排列有序的脆性化合物,最後反而讓材料得到韌性,這就是所謂的「高熵效應」(參考:高熵合金背景介紹)。

高熵合金與其他材料強韌度的比較。

高熵合金與其他材料強韌度的比較。圖/清華大學提供。

雖然高熵效應存在許久,卻沒有人真正對此進行實驗,葉均蔚以「人煙稀少的新境界」形容這個新興領域,從一開始的名稱、定義、到後來的基本原理研究,樣樣自己來,也因此奠定葉均蔚「高熵合金之父」的地位。

發展十多年的高熵合金技術,目前已經應用在各種不同領域,這類材料的成品比傳統材料更耐熱、不易斷裂、可塑性也更高。葉均蔚說,可耐攝氏 900 度幅照損傷的核能反應爐、噴射引擎葉片耐溫度的提升,都是未來指日可待的成品。

利用「高熵合金」為材料做出高壽命的刀具。

利用「高熵合金」為材料做出高壽命的刀具。圖/清華大學提供。

文章來源網址:http://pansci.asia/archives/99682


活動訊息_圖示

夏至要幹嘛?當然是用竿子丈量世界啊!

無需衛星,不必繞地球一圈,二千二百多年前,埃及的埃拉托斯塞尼就已經算出地球的周長。

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2016 年 6 月 21 日夏至這一天,PanSci 科學新聞網數感實驗室 Numeracy Lab要延續埃拉托斯塞尼的精神,我們將會在這天同步在嘉義北回歸線和北投直播,我們將用一根桿子丈量全世界!你也可以加入我們的活動,一起過一個充滿科味的夏至吧!

文/張瑞棋

第一位知道大小的人

每年的夏至落在 6 月 21 日或 22 日(歐美地區則是 20 日或 21 日),這一天太陽直射北回歸線,北半球的白晝最長、夜晚最短;北回歸線地區的日正當中時,地面幾乎沒有影子。二千二百多年前的一個夏至,古希臘的埃拉托斯塞尼(Eratosthenes, 276 BC-194 BC)因此得知了地球的大小。

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埃拉托斯塞尼

埃拉托斯塞尼出生於現今的利比亞,在雅典接受教育。他精通數學、天文學、地理學,還是位詩人;西元前 245 年,他被托勒密國王任命為當時規模最大的亞歷山卓圖書館館長,約莫五年後,他想到了測量地球大小的方法。

首先,埃拉托斯塞尼知道地球是球形;是的,無須等到十六世紀麥哲倫航海證明地球是圓的,早於埃拉托斯塞尼一個世紀的亞里斯多德就根據月蝕時,地球投影在月球上的弧形影子,以及眺望帆船進港時,總是先看見桅杆,接著才出現船體,而推論地球必定是個球體。亞里斯多德還從北方與南方所見的星空並不完全相同,而推論地球與星辰相比,體積並不大。因此埃拉托斯塞尼還可以將照射到地面的陽光視為平行的。

根據文獻記載,位於亞歷山卓南方五千「斯塔德」(stadia,古希臘距離單位)遠的城市塞耶尼(Syene)有一口水井,每年的夏至中午,太陽正好位於水井正上方映照在深處的水面上,太陽就像個塞子均勻地蓋住井口。也就是說,陽光的方向經過水井,直指地球中心。但此時陽光卻會令亞歷山卓的日晷投下影子,因為光線是平行的,所以光線與日晷頂點形成的夾角,會等於日晷到水井這段圓弧對應的圓心角。埃拉托斯塞尼測量影子長度與日晷高度,算出夾角大小等於圓的五十分之一,也就代表亞歷山卓的日晷到塞耶尼的水井這段距離是地球圓周的五十分之一,因此地球周長就等於五千斯塔德乘以五十,等於二十五萬斯塔德。雖然斯塔德在不同地區所定義的長度稍有不同,但學者估計換算成現代長度,與地球實際周長四萬公里誤差最多也不超過 2%。

埃拉托斯塞尼完全展現了科學思考的力量,將看似無法克服的複雜問題,化約成本質不變的簡潔模型;不用蠻力與特殊工具,也無需深奧的理論與繁複的計算,僅憑現今國中程度的數學就能在兩千多年前算出地球的大小。當然,這背後需要豐富的想像力與抽象思考的能力,而這似乎一直是我國偏重計算能力的數理教育力所未逮之處。

繼續閱讀請點選文章來源網址:http://pansci.asia/archives/100237


活動訊息_圖示

主  題:綠能科技探究與實作研討會
時間地點:北區:7月29日09:00-17:00,地點:師大公館校區。
     南區:8月5日09:00-17:00,地點:南科實中。
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,北區課程代碼:2032676、南區課程代碼:2032677

主  題:物理探究與實作教師專業成長工作坊
日  期:105年7月30日(星期六)9:30~17:10
講  師:國立彰化師範大學林淑梤教授
地  點:國立台中第一高級中學
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2014718

主  題:2016物理教育聯合會議
日  期:2016年8月23日(二)~25日(四)
地  點:國立成功大學
報名網址:http://phyedu.gogomango.net/site/

 
科學活動及演講_圖示

主  題:NASA一場人類冒險
日  期:2016/5/28~2016/9/18
活動網址:http://www.space-event.com.tw/zh-tw/home

主  題:科普書籍導讀-電學之父-法拉第的故事
講  師:國立中正大學化學暨生物化學系 胡維平 教授
日  期:07/20/2016 星期三 09:00-12:00
地  點:國立中正大學理學院二館 132 演講廳
報名網址:http://www.chem.ccu.edu.tw/~giantshoulder/

主  題:新時代科青培力營
日  期:2016/8/11(四)- 8/12(五)
地  點:台中科博館-第二科學教室
活動網址:http://pansci.asia/archives/flash/99389

主   題:2016科普論壇
報名時間:2016年9月23日 到 9月24日
活動網址:http://2016scipopforum.conf.tw/site/page.aspx?pid=12&sid=1119&lang=cht

 
 

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