2017 四月號
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第138期電子報  出刊日期:1060419


科學新文摘

 

導電不導熱的熱電材料新契機

作者/魏百駿,畢業於清大材料所,現職為中研院物理所博士後研究員(陳洋元實驗室),專攻熱電材料及相關材料物理。

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熱電材料可以把熱能轉為電能。而能將廢熱有效率轉為電能,一直是科學家的夢想。但是熱電材料一直有個瓶頸,材料需要同時具導電好卻導熱差的特性。而一般導電好的材料,譬如金、銀、銅等金屬,導熱也同時較好,並不適合作為熱電材料。最近美國柏克萊實驗室發現二氧化釩(VO2)裡的電荷載子具導電卻不導熱的性質,為熱電材料帶來新契機。

固體內的熱傳導
熱傳導為能量(熱能)從高溫處往低溫傳輸的現象。固體中,熱的傳輸有兩種媒介:(1)原子晶格的熱振盪以及(2)利用電子之類的自由載子(free carrier)來承載。晶格熱振盪形成的彈性波,從量子力學的角度,科學家將之稱為「聲子(phonon)」;自由載子指的是可以自由移動,且帶有電荷的物質微粒,如電子和離子,能同時攜帶電荷及熱能。

一般而言,導電良好的材料內,電子在運動過程中受到的「阻力(電阻)」較小,電荷可快速傳輸。在此同時,自由載子也將熱能快速傳遞。這個現象是1853年維德曼(Gustav Wiedemann)和夫蘭茲(Rudolph Franz)在實驗中發現的,它主要描述了金屬電導率σ和 熱導率ρ之間的關係,其中比例常數L稱之為羅倫茲常數(Lorentz number),也就是導電率越高,熱傳導率也就愈高。然而,最近美國柏克萊實驗室在Science期刊上發表一項重大發現,二氧化釩奈米線中的自由載子導電不導熱!明顯打破維德曼–夫蘭茲定律!因為其內的自由載子間具有很強的相互作用,使得電荷和熱能的輸運(transport)分開,不再藉由同一個自由載子來進行輸運!

二氧化釩是一個具有「金屬–絕緣體相變(Metal-insulator transition)」的材料。於溫度68℃以上的環境,二氧化釩會具有金屬特性,若位於68℃以下環境,則會具有絕綠體特性。柏克萊團隊為了證實中的自由載子在輸運電荷的過程中並不肩負熱的傳輸,他們利用懸空的單晶奈米線結構,保證熱流與電流傳導為同一方向,也去除材料中應力與多晶格方向的影響。如前文所述,熱導率來自於自由載子與聲子,經由實驗測得的熱傳導率減去理論晶格熱傳導率,並比對導電相與絕緣體相的理論及實驗值,該團隊確認金屬性二氧化釩中,電子所貢獻的熱傳導率約為維德曼–夫蘭茲定律預測的10~20%,也就是自由載子帶的熱能比該理論預測少很多,非常難得一見。現今我們對這樣電輸運與熱輸運解偶(decouple)的材料系統知道的不多。如果能深入了解其中電與熱解偶的機制,以及其內聲子如何與電子交互作用、電子之間如何交互作用等,對於開發所謂能將熱能直接轉換成電能、或電能直接轉換成溫差的熱電元件,將是極大的助益。

廢熱再利用
我們人類活動中產生的電能或動能,大多是以熱的形式浪費掉(廢熱)。熱電元件具備可直接將熱能轉換為可利用的電能(不透過任何機械裝置)的特性,因此具備可回收廢熱的優點!尤其是針對回收不易、介於100~200℃之間的低溫廢熱更具優勢。因此若能開發出具備非常高效率的熱–電轉換材料,有益於環境保護及空間節省。科學家利用「熱電優值」ZT來衡量描述材料的熱電轉換能力, Z是材料的熱電係數,T是熱力學溫度。更詳細的來說:ZT= S2σT/κ,也就是說熱電優值的大小直接與熱傳導率(κ)、導電度(σ)及溫度(T)是相互關連的,而S為席貝克係數(Seebeck coefficient)。由上述ZT的關係式可知,好的熱電材料需要電導高但熱導低的特性,這也是目前熱電材料最大瓶頸。若在熱電材料中自由載子導電卻不導熱,我們從電子貢獻的ZTe= S2/L = S2σT/κe,不難看出如果羅倫茲常數趨近於零可以使得該材料中,電子的熱電效率無窮大!因此若能找到完全不遵守維德曼–夫蘭茲定律的材料系統,那麼等於找到夢想中的高效率熱電材料,而「壞金屬(bad metal)」,也就是自由載子傳輸的自由徑(mean free path)小於晶格大小的材料,是非常有潛力的材料系統。

最近幾年有些相關理論及實驗發表於重要國際期刊,探討如導電二氧化釩系統的「壞金屬」。不難發現這些具有非常規電子動力學的材料系統所牽涉的領域相當廣泛,且許多部分仍屬推測或未知。尋找突破維德曼–夫蘭茲定律的系統對於發展高效率熱電材料固然重要,然而在到達終點之前,我們仍有許多問題需要回答。熱電學中的三個主要參數:導電度、席貝克係數、熱傳導率本身每個都是度量材料電子及聲子動力系統的偵測儀,因此在可期待的未來,可藉由熱電物理的手來解開物理中未知且重要的一環。

延伸閱讀
1. Sangwook Lee et al., Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide, Science, Vol. 355: 371-374, 2017.

文章來源網址:http://scimonth.blogspot.tw/2017/03/blog-post_4.html

 

活動訊息_圖示

學習趨勢:跨領域、現象為本的統整學習

【文/課程及教學研究中心主任 洪詠善】

  芬蘭2016年8月即將實施的新課綱受到世界各國與媒體關注,英國獨立報2015年3月20日報導:芬蘭新課綱主題教學取代傳統科目,此報導一出,立即吸引各國關注。芬蘭教育委員會(Finnish National Board of Education)針對這樣的說法於2015年3月25日提出說明 ,該委員會指出2016年新課綱並未放棄學科教學,新課綱 強調培養橫向整合的素養與跨領域的學習,學校應該營造合作學習情境,並且提供學生每年至少一次跨領域學習機會,同時學生能夠在幾位老師的指導下從事跨領域、以及現象為本的方案學習(phenomenon-based project),例如歐盟、氣候變遷、芬蘭獨立百年等,此方案應該由師生共同規劃設計。

  芬蘭新課綱主要為培養有足夠能力面對未來生活世界挑戰的新世代,站在傳統學科的基礎上,強調跨領域以及「現象為本的學習」(phenomenon-based project)。所謂現象為本學習乃在於學習課題來自真實世界現象,如城市規劃、恐攻、歐盟、水資源、能量等等,以現象為課題的學習必須深入情境脈絡,需要整合許多領域/科目才足以能夠整體理解甚至解決問題。在課程設計上,現象為本的學習的成功在於讓不同領域/科目教師共同備課與協同教學,並且採取探究學習、問題導向、方案與檔案等學習方法,以真實與E化的學習情境引導學生學習。此外,學習過程中,學生必須參與其中,鼓勵能夠和專家社群一同工作,同時能夠分辨、分析與善用訊息、資料與知識,在實作體驗中深度學習。隨著跨領域、以現象為本的學習,傳統紙筆測驗也需要同步轉型,畢竟填空問答或是非選擇題-無法讓學生完整學習如何規劃宜居城市吧?!

  依據芬蘭教育基本法,基礎教育階段所有學生學習科目與時間由中央政府規範,不過此課程綱要是「寬鬆」的綱要,在芬蘭320個自治市的教育局、學校以及教學者擁有課程實施與教學方法創新的自由。以首都赫爾辛基市為例 ,教育當局決定該市所有學科每年應該設計兩個時段(約數週),為每個學生實施跨領域的教學,有興趣的讀者可以參閱該市One School學校網站 。

  芬蘭教育委員會課程發展主任Irmeli Halinen 指出:在不斷改變世界中,學校課程應該透過跨領域、現象為本的學習培養學生能夠迎向世界挑戰的七項橫向能力 :包含1、思考與學習的能力2、文化識讀、互動與表述能力3、自我照顧、日常生活技能與保護自身安全的能力4、多元識讀(multi-literacy)5、數位能力6、工作生活能力與創業精神7、參與、影響,並為可持續的未來負責等。為了讓學生具有七大橫向能力,從課程設計端就強調師生共同規劃的概念,可謂是貫徹珍視學生聲音的理念。

  芬蘭新課綱之理念與規劃與我國十二年國民基本教育課程綱要不謀而合。首先,我國十二年國教新課綱培養學生具備自主行動、溝通互動、社會參與三面九項的核心素養,並且作為連貫統整各領域與科目之課程與教學之主軸。因此,新課綱以八大領域(語文、數學、自然科學、社會、科技、藝術、綜合活動、健康體育)學習為基礎,為促成跨領域教與學,總綱特別明訂國民小學與國民中學彈性學習課程可以規劃跨領域統整性主題/專題/議題探究課程,此外,學校可以彈性調整或重組部定課程之領域學習節數,實施各種學習形式的跨領域統整課程,跨領域統整課程最多占領域學習課程總節數五分之一。以國中為例,領域學習總節數為每週29節,因此學校最多可以規劃每週五節跨領域統整課程,例如某校在發展學校本位課程時,在整體規劃下,藝術領域與自然科學領域共同設計六週「綠建築」專題課程,經討論後,決定可以各保留一節後,拿出兩節進行專題課程,則每週可進行四節跨領域的專題學習。此規劃主要提供學校有更大彈性進行跨領域課程,更重要的是提供機會讓不同領域/科目教師能夠展開對話,共同設計課程並協同教學。

  在高級中等學校教育階段,十二年國民基本教育課綱總綱明示,四類型高中的部定各領域必修課程可以研訂跨科統整型、探究型或實作(驗)等主題的課程內容,以普通型高中為例,自然科學領綱(草案)規劃四學分探究實作領域必修課程供學生修習。此外,總綱規範普通型高中學生需修習「跨領域/科目專題、實作(實驗)、或探索體驗等課程類型之相關課程至少4學分。

  面對複雜變化的世界,各國無不致力於人才培養,在學科學習的基礎上,橫向整合的跨領域/科目的統整學習是世界趨勢,引導學習者探究生活世界中的種種現象,從事創新與連結的深度學習。新課綱啟動的學習革命,從課程綱要規劃到教材編選,從學校本位課程發展到教師教學,從學習方法與工具的改革,到學習評量的轉型,每個環節都是影響學生是否能夠在領跨域/科目學習經驗中受益的關鍵,國家教育研究院正展開素養導向教材教學模組,以及學校實施新課綱轉化之支持資源研發工作,研發歷程與成果陸續在「協力同行:走進十二年國教課程綱要」(http://12cur.naer.edu.tw)網站。教育改變需要集眾人之力,邀請所有教育研究者與實務工作者一起投身其中,協力同行。

參考資料來源:

i.http://www.independent.co.uk/news/world/europe/finland-schools-subjects-are-out-and-topics-are-in-as-country-reforms-its-education-system-10123911.html

ii.芬蘭教育委員會網站http://www.oph.fi/english/current_issues/101/0/subject_teaching_in_finnish_schools_is_not_being_abolished

iii.芬蘭教育委員會網站http://www.oph.fi/english/curricula_and_qualifications/basic_education

iv.https://theconversation.com/finlands-school-reforms-wont-scrap-subjects-altogether-39328

v.One School網站http://www.hel.fi/hki/ressuy/en/Etusivu/

vi.http://www.oph.fi/download/158389_general_aspects_of_basic_education_curriculum_reform.pdf

vii.http://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5068473

文章來源網址:http://epaper.naer.edu.tw/index.php?edm_no=134&content_no=2671

活動訊息_圖示

主  題:從107課綱談物理史如何融入高一基礎物理課程
日  期:106年4月25日(星期二)13:00~17:10
講  師:姚珩 (國立臺灣師範大學物理學系)
地  點:臺北市立第一女子高級中學至善樓四樓國文專科教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2183344

主  題:結合物理課程的跨領域探究實驗
日  期:106年5月9日(星期二)13:00~17:10
講  師:林春煌老師、廖建銘老師
地  點:臺北市立松山高中實驗大樓四樓物理教室1
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2195918

主  題:探究與實作的理性與感性
日  期:106年5月15日(星期一)13:00~17:10
講  師:陳育霖教授(國立臺灣大學物理系)
地  點:臺北市立松山高中實驗大樓四樓物理教室1
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2196276

 
科學活動及演講_圖示

主  題:歷史中的鍊金術
講  師:呂傳盛 特聘教授(國立成功大學 材料科學與工程學系 )
日  期:2017/4/30 (星期日)上午10時至12時
地  點:國立科學工藝博物館南館演講廳
活動網址:http://freesci.tw/scholarmatch/page.activityshow.action?id=142

主  題:106桌遊教師研習 玩桌遊輕鬆學天文
日  期:2017-05-02(二) 13:30~16:00
地  點:臺北市立天文科學教育館
報名網址:http://ticket-app.tam.gov.tw/activity/cp.php?actno=1324

主  題:提升高中生國際視野計畫專題論文競賽
繳件截止時間:106 年 5 月 22 日(星期一) 24:00 前
活動網址:https://www.facebook.com/twhsglobal/

主  題:銀河系與他的朋友們
講  師:蔡安理博士
日  期:2017/5/26 (星期五)19:00~21:30
地  點:國立中央大學科學教育中心106展廳
報名網址:https://www.facebook.com/中央大學科學教育中心-100509571920/?fref=nf

主  題:仿生展 從大自然來的絕妙點子
日  期:105年12月15日(四)-106年8月31日(四)止
地  點:國立台灣科學教育館
活動網址:https://www.facebook.com/BiomimicryInspiredbyNature/

 
 

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