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那福忠,知名電子出版專家、網路作家。
   
  瓶裡能裝多少氣
 

那福忠 October 26, 2006

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   瓶子能裝水,裝滿了就是一瓶水,用瓶子裝氣,只要打開瓶蓋,就裝滿了一瓶氣,裝多裝少看瓶子的大小,要裝的比瓶子的容積多一點,就要用特殊的辦法了,像是壓縮成液體的罐裝瓦斯。一個瓶子裡裝一些白粉狀的東西,不用壓力、不需轉換成液體,就能把一整屋子的天然氣裝進去,這聽起來雖然神奇,卻是近來科學上的一大進展。這種儲存氣體的方式,也許家裡用不上,在工業上用途就大了,消極可以儲存排放的廢氣如二氧化碳,積極可以儲存沒有污染的氣體燃料如氫氣。

   瓶裡的白粉當然是關鍵,是加州大學洛杉磯分校化學教授 Omar Yaghi 的研究成果,每一粒白粉,如果放大一億倍,就可看出像蓋房子的鷹架,呈蜂巢狀節節相連(如照片 Yaghi 教授手拿的模型、點選放大),天然氣的分子就在這蜂巢結構裡,層層相疊,不需外界壓力、不需降溫,就能緊縮在一起,達到儲存的目的。這一建築結構,是靠奈米技術合成,這位 41 歲的約旦裔教授就是奈米建築師。

   除了儲存天然氣,Yaghi 教授的新設計是儲存氫氣,因為氫氣可能是以後的主要能源之一。大家知道水的化學結構是兩個氫原子加一個氧原子 (H2O) ,把兩份氫氣與一份氧氣加在一起點燃,就會產生水,但同時也釋放出能量,可以轉換成電能供電器使用,更重要的是不產生有毒的物質,是最乾淨的能源。空氣裡有氧氣,隨時隨地可用、不必儲存,但氫氣卻不單獨存在於地球,需要製造,製造好了拿什麼來裝,一直是個問題,現在可以用教授的奈米材料盛裝,無疑是重大突破。

   目前的實驗結果,在 77°K(絕對溫度、相當 -196°C,273°K = 0°C) 可以盛裝 7.5% 重量的氫氣。以後氫氣生產技術更進步,生產過程不製造污染,價格也更便宜,氫氣就可望成為汽車的動力。美國能源部現在就有了規定,以氫氣為燃料的汽車,氫氣要在室溫儲存、重量為 6.5%。(儲存重量百分比,是指儲存的氫氣重量與儲存工具重量的比,不是容積的比;氫氣雖輕、其原子仍有重量,以上述實驗為例,氫氣的重量佔 7.5%,那蜂巢結構的重量就佔 92.5%。)

   奈米蜂巢鷹架,用兩種材料搭成,支架用金屬的氧化物,支架之間用有機物連接,利用金屬堅固的支撐,與有機物的彈性,編織出讓氣體通過的蜂巢小孔,氣體進入之後,加上化學處理,氣體的分子就固定在支架之間。這種固定叫物理吸收 (Physisorbed),僅是附著,氣體的原子不會與鷹架的原子結合成另一種化合物,所以氣體仍能自由流通,任意進出,仍不會影響結構的完整。這一結構,Yaghi 教授稱之為金屬有機架構 MOF (Metal-Organic Frameworks),可依氣體分子的不同作不同的設計。

   致於氫氣要低溫才能儲存,造成以後實用的瓶頸,Yaghi 教授解釋是實驗問題,因為這是新的材料,可以有千萬種不同的結構,現經實驗的僅是極少數。以天然氣處理為例,十年前大家都認為沒有辦法用 MOF 儲存,現在證明可行,所以氫氣的儲存,以後會有更多的人、作更多的實驗,就會越來越接近實用。Yaghi 教授最近宣稱,他已經找到調整支架的方法,可以儲存把溫度提升到 0°C 到 45°C,如果發展成功,就符合能源部的汽車燃氫規格了。不過,要實用到汽車上,因為涉及太廣,恐怕還要等十年。

   能源短缺、地球暖化,大家莫不想便宜沒有污染的能源,氫燃料電池 (Hydrogen Fuel Cell) 該是熱門的題目了,但最大的挑戰是要找到大量儲存氫氣的器具,MOF 應該是可行的方式,至少可以用在手機、數位相機、筆記本電腦一些小型的行動電器上,用燃氫電池替代現有的電池,用一個 MOF 釋放氫氣,作電池的燃料,那時候不但電池壽命延長(只要換一個新的 MOF 就行了),體積也會縮的更小,電器的設計與外觀也會走進下一版本。除了儲存燃料氣體,MOF 證實也能儲存有害的廢氣,放在電廠或汽車排氣出口,可以阻止二氧化碳流向大氣層。

   Yaghi 教授及其研究小組,由美國能源部與德國 BASF 化學公司資助,Yaghi 教授本人也因為這一成就入選今年大眾科學雜誌十大閃亮科學家。

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