SENSE隨筆140808流星捕手

欲上青天摘星斗 填平東海不揚波 (金世遺詩)
SENSE隨筆140808
流星捕手
執筆人:蟬

〈流星捕手〉
在野外仰望夜空,幸運的話我們可能會看到 流星meteor掠過。 這麼美麗的景象來自一些在宇宙漂流,大小不一的碎片,以極高速度衝向地球,穿越大氣層時磨擦並燃燒所產生。 這些碎片或稱為 “太空塵stardust”,被認定是45億年前大爆炸The Big Bang,各種星球形成時剩餘的物質。 科學家一直希望獲得完整的太空塵,用以研究太陽系形成時存在的物質狀況。Stardust_pre-launch

NASA在1999年發射了一艘迷你太空船:Star Dust號,企圖收集原始的太空塵,然而要“捉住”太空塵並不容易。 它們以每秒50公里的速度在太空“漫遊”,要捉住它們有兩種途徑: 或者以低 爆破壓力rupture pressure的物料讓太空塵穿過並吸收它的衝力,原理就像電影中特技人從高處跳下所準備的紙皮箱一樣; 要不則以高爆破壓力的物質,如製作避彈衣的Kevlar物料,去擋住太空塵,但它們便會像子彈一樣受壓而變形。

NASA的解決方案是: 利用一種稱為Aerogel的物料去製作一枝巨型網球拍,以打壘球時接球手的“軟手softhand”方式去接住太空塵。 這個計劃取得很大的成功,Star Dust不負眾望完成任務,經過12年跟隨過3粒彗星後,在2011年退役並從此在宇宙飄浮,成為一顆300公斤的 “太空塵”。
stardust

大家定必以為這種稱為Aerogel的物料肯定是NASA獨家研究的高科技產品。 但其實Aerogel早在1931已被發明,而且可以輕易在ebay買到。 究竟為何一種已被發明80多年的物料會成為NASA太空任務的重心技術呢?

〈果凍是液體還是固體?〉
大家應該吃過 果凍Jelly,即使沒有吃過,也應該接觸過果凍狀的東西, 例如護膚品,理髮用品等,它們是一種 “凝膠gel”:不是固體也不是液體的狀態。 以果凍為例,一旦放進嘴裡便會“溶化”,變成液體。

到底凝膠是甚麼東西? 30年代美國一名原為農夫的化學家Samuel Kistler便提出這個問題。 他認為所謂的凝膠是被固體包圍住的液體,其外圍的固體呈現網狀mesh。
果凍外圍的網是由 gelatin明膠(a.k.a.魚膠)形成,由膠原蛋白collagen衍生出來。 膠原蛋白是身體內製造皮膚和韌帶等連接結構的原料。 明膠的溶點是攝氏35度,當我們將果凍放進嘴裡,體溫會令明膠網溶解並釋出當中的液體,造成果凍的獨特口感。

Kistler在發現這個網狀結構是連結著的整體後,便提出一個有趣的說法:凝膠的網狀結構和液體是可以分離的。*** 他嘗試將凝膠內的液體蒸發,但結果連網狀結構也一併分解,直至他在McBain和Charles的協助下完成一個相信靈巧的實驗。
他們先以酒精替掉一種凝膠內的液體,並將其置於高壓釜內,以酒精浸住並加熱。由於外在壓力太大,即使溫度已經高過沸點,凝膠內的酒精只能在原地氣化,並且留在凝膠內。 由於氣化在網狀結構內完成,結構得以保存。

Kistler並沒有因此而滿足,他認為明膠作為網狀結構實在是太脆弱了。 接著他作了很多嘗試,分別以 氧化鋁、二氧化錫、卵清蛋白和 二氧化矽等造成凝膠狀,皆能成功地提取其網狀結構。 1931年Kistler在《自然Nature》雜誌發表他的研究結果,並將成功提取出來的網狀結構稱為Aerogel。***

〈掌中的天空〉
在眾多成份的Aerogel當中,以二氧化矽所做的Silica Aerogel SA最為特別。 它佈滿著氣孔:超過99.8%是空氣,剩下來的是相連的矽。由於極低的密度,它的重量只有空氣的三倍,握在手上幾乎感覺不到重量。aerogel_peter

在淺色的背景中的SA是幾乎完全透明的,好像只是一團霧,它甚至比同樣以矽製造的玻璃更難察覺得到。 雖然SA沒有玻璃那麼透光,但由於它密度極低,而且矽的結構細小得幾乎沒有可折射的平面,令它看起來有一種奇幻的感覺。

而在深色的背景中,SA會變成天籃色。 這是由於顏色不同的光擁有不同的波長,反射的程度也不一樣。 人們之所以看到藍天,是因為一種稱為 “瑞利散射Rayleigh scattering”的光學現象。 但瑞利散射只在空氣粒子量相當多時才會出現,即使在一個極大的空間也難以發生。 然而SA充滿空氣和迷你平面的結構讓散射出現在極小的空間之內。

Aerogel最重要的特性在於其超級隔熱的性能。*** 它就好像極多層的隔熱玻璃一樣,能有效地阻礙熱力的傳遞。 由1996年開始,NASA已經大量採用Aerogel來做太空船內的隔熱部件。試看附圖便可觀察其隔熱效能有多好。Aerogelflower_filtereda

然而時不與我,在Aerogel發明的那一年,Ernst Ruska發明了電子顯微鏡,物理學界蜂擁研究各種物質的分子結構,發明出眾多高效的大眾物料,如尼龍nylon、鋁合金和玻璃纖維等。加上當時能源成本低,Aerogel的最佳應用— 隔熱功能,遂英雄無用武之地。可憐的Aerogel先後用於顏料、羊用防蟲膏和汽油彈等,始終礙於成本昂貴無法成為商品原料。
鬱鬱不得志的Kistler在1975年去世,死前無緣見到這種世上最輕的固體脫穎而出。

 

參考:
《Stuff Matters: Exploring the Marvelous Materials That Shape Our Man-Made World》( 2014) Mark Miodownik