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商品編號: DCD2282
商品名稱: 研之有物:格物窮理!中研院的25堂數理科學課 出版公司:時報文化 作者:中央研究院研之有物編輯群 類型:科學-自然科學 PDF電子書 繁體中文版
語系版本: PDF電子書 繁體中文版
運行平台: PDF電子書,沒有任何平台限制,終身使用
更新日期: 2025-09-01
光碟片數: 1片CD光碟
銷售價格: $100元
熱門標籤: 研之有物  格物窮理  時報文化  科學  自然科學 

研之有物:格物窮理!中研院的25堂數理科學課 出版公司:時報文化 作者:中央研究院研之有物編輯群 類型:科學-自然科學 PDF電子書 繁體中文版

圖片說明:

研之有物:格物窮理!中研院的25堂數理科學課 出版公司:時報文化 作者:中央研究院研之有物編輯群 類型:科學-自然科學 PDF電子書 繁體中文版
內容說明:


商品資料
作者:中央研究院研之有物編輯群
出版社:時報文化出版企業股份有限公司
出版日期:2024-11-26
課程類型:科學>自然科學
ISBN/ISSN:9786263968677

內容簡介
天文與地理╳電腦與數學╳材料與應用
25堂令人欲罷不能的數理科學入門課

★中研院在格陵蘭有座超大望遠鏡!拍到黑洞為什麼很重要?
★不只是活火山,大屯山底下還藏著一個岩漿牛奶罐?
★有影片有真相的時代已過,生成式AI帶來哪些信任危機?
★好吃的愛玉如何結膠?愛玉也能成為食品業和生醫材料的好幫手?
★光學微影如何縮小半導體元件尺寸,「拍出」奈米級積體電路?

從黑洞到地震,從生成式AI到奈米鑽石,從半導體到淨零科技……
跟著諾貝爾物理獎得主丁肇中、浸潤式微影技術之父林本堅等25位數理科學家,
一起上天下地,探索萬物之謎!

中央研究院數理科學組匯集臺灣頂尖學者,研究範圍涵蓋數學、物理、化學、地科、資訊、統計、原子與分子、天文、應用科學、環境變遷等領域,是世界級的數理科學研究重鎮。

透過《研之有物:格物窮理!中研院的25堂數理科學課》,中研院研之有物團隊以25位科學家的研究成果為藍本,帶領我們參訪臺灣最高學術殿堂,將艱深的學術論文轉譯為淺顯易懂的科普知識,一窺中研院在數理科學領域的重大突破與創見。

本書採訪、收錄以下中央研究院學者團隊之研究成果(依文章序排列):

陳明堂(天文及天文物理研究所研究員)
賀曾樸(院士、天文及天文物理研究所通信研究員)
陳科榮(天文及天文物理研究所助研究員)
丁肇中(院士)
王?貫(院士、環境變遷研究中心通信研究員)
周崇光(環境變遷研究中心研究員)
許雅儒(地球科學研究所研究員)
鍾孫霖(院士、地球科學研究所特聘研究員兼所長)
黃信樺(地球科學研究所副研究員)
趙丰(地球科學研究所客座講座)
李國偉(曾任數學研究所研究員)
廖弘源(資訊科學研究所特聘研究員兼所長)
古倫維(資訊科學研究所研究員)
陳駿丞(資訊科技創新研究中心副研究員)
黃彥棕(統計科學研究所研究員)
張煥正(原子與分子科學研究所特聘研究員)
謝雅萍(原子與分子科學研究所副研究員)
陳壁彰(應用科學研究中心副研究員)
陳彥龍(曾任物理研究所研究員)
尤嘯華(化學研究所研究員)
林本堅(院士)
張文豪(應用科學研究中心特聘研究員)
林麗瓊(院士)
周美吟(中央研究院副院長、原子與分子科學研究所特聘研究員)
施敏(院士)

名家推薦
冬陽(央廣《名偵探科普男》主持人)
陳璽尹(台灣科技媒體中心執行長)
焦傳金(國立自然科學博物館館長)
黃俊儒(國立中正大學通識中心特聘教授、臺灣科學媒體協會理事長)
趙軒翎(《科學月刊》、《科技報導》執行總監)
——專業推薦(依姓名筆畫排序)

作者簡介:

中央研究院|研之有物編輯群

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易‧家人》:「君子以言有物而行有恆。」盼以具體的研究案例、真實的研究員生活,揭開中央研究院神祕的面紗,讓人們了解研究成果如何應用到生活中,繼而體會研究的價值與重要性。

中央研究院以理論結合實作、專業結合想像力,探索生活中各種問題的答案。每個研究成果,都不只是一篇論文,而是推進生活邁向永續的動力。惟鑑於論文的專業嚴肅性,難以令社會大眾親近、了解研究的意義與樂趣。因此中央研究院於2017年推出「研之有物」科普網站,期待成為中央研究院與社會大眾的橋梁,將論文轉化為親民易讀的報導,讓知識走入人群,邀請大家一起永保好奇心,探索這世界!

曾出版《研之有物:穿越古今!中研院的25堂人文公開課》、《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》。

Facebook、Instagram|研之有物
網站:research.sinica.edu.tw/



章節試閱
Lesson 16 鑽石不只能求婚,還能用於生物醫學!——國產螢光奈米鑽石

螢光奈米鑽石是什麼?
螢光奈米鑽石是一種新型的奈米材料,鑽石製作成奈米等級大小,經過特殊處理,就能發出螢光。中央研究院原子與分子科學研究所的張煥正特聘研究員,運用師承自李遠哲院士的離子束技術,製作出世界首創的螢光奈米鑽石,可用來追蹤生物分子、攜帶藥物以及標示幹細胞等生醫用途。螢光奈米鑽石因為含有碳、氮元素,與人體有高度相容性,毒性低,光激發之下可放出700奈米的紅色螢光,很適合活體組織成像,目前螢光奈米鑽石已經實際用在動物實驗的研究。

Q:螢光奈米鑽石和一般鑽石有什麼不同?
首先我們從鑽石的結構談起,鑽石為sp3結構,也就是碳原子以四面體的方式架構,每個碳原子都與另外四個碳原子相接。這種堅固嚴密的四面體,讓鑽石成為自然界中最堅硬的物質。
因為鑽石碳原子的結構緊密、形成的晶格很小,其他較大的原子不易摻雜;自然界中最常見的雜質是和碳原子大小相近的氮原子、硼原子,這些雜質也是彩鑽形成顏色的原因之一。奈米鑽石的結構和一般鑽石相似,但透過一些加工方法,可以讓奈米鑽石發出具有利用價值的光芒。
首先,我們用高溫高壓將碳元素合成奈米鑽石粉末,接著利用高能量的電子束或離子束轟擊,讓結構中產生空缺。再高溫加熱,促使空缺移動到摻雜的氮原子旁,形成「氮—空缺顏色中心」(nitrogen-vacancy color center, NV),就成為會發光的「螢光奈米鑽石」。我們把它的英文命名為Fluorescent Nanodiamond,縮寫FND。
奈米鑽石可以發光,關鍵是因為有「氮—空缺顏色中心」。當含有「氮—空缺顏色中心」的奈米鑽石受到黃綠色光(波長500至600奈米)照射,會發出波長大約是700奈米的紅光,這紅光可以透過光學顯微鏡偵測到。

Q:螢光奈米鑽石有什麼功用?
螢光奈米鑽石所含的碳和氮,都是生物體內最常見的元素,因此與生物體具有高度的相容性,經檢測也發現這種材料的生物毒性非常低。所以我們可以把螢光奈米鑽石放到生物體內,藉由它所發出的紅光,來追蹤生物標的,例如幹細胞、免疫細胞等等。
現今的生物醫學研究中,「細胞療法」相當熱門,也就是取用自身的免疫細胞、幹細胞,先在體外培養好,再打回體內進行治療。但是這些免疫細胞、幹細胞打回體內後,如何知道它們往哪跑?有沒有真的修復受傷的組織?這種情況螢光奈米鑽石就可以幫忙追蹤。
螢光奈米鑽石可以用來追蹤細胞的動向,也能測量細胞的數量。
舉例來說,我們有和中研院細胞與個體生物學研究所的游正博團隊合作,將螢光奈米鑽石放到老鼠肺部的幹細胞內,並觀察確認不會影響到幹細胞的生長及功能,之後再將這些幹細胞打回肺部已經受傷的老鼠體內,讓幹細胞去修復受傷的肺部。
一週後,我們取出這隻老鼠的肺部組織,用共軛焦螢光學顯微鏡來觀察,尋找螢光奈米鑽石釋放的紅光,結果真的可以追蹤到幹細胞,也能看出打入的幹細胞跑到肺的哪個部位。這樣就能協助提供資訊,證明幹細胞的療效,或是優化之後的幹細胞治療方法。
因為螢光奈米鑽石和生物體高度相容,還能設計螢光奈米鑽石的尺寸大小,所以也能用來攜帶藥物分子,目前實驗測試在生物體內不會引起免疫和發炎反應。
例如,我們和中研院生物醫學科學研究所謝清河特聘研究員、暨南大學應用化學系吳志哲教授合作,實驗用螢光奈米鑽石攜帶一種稱為肝素(heparin)的藥物。
很多血栓病患需要服用肝素,這種藥物有抗凝血作用,能夠把血栓分解掉;但肝素是小分子藥物,很容易穿過血管壁、跑到組織液中被代謝,造成病患必須持續服藥。因此我們把肝素接到大小30奈米左右的螢光奈米鑽石上,肝素藥物整體體積變大後就不會那麼容易穿過血管壁,透過小鼠模型實驗,可以在血液中停留較長時間,藥物作用時間拉長,也就可以降低服用的劑量。

Q:螢光奈米鑽石未來的發展?
螢光奈米鑽石可以應用於生物醫學,但其實生物學家做實驗有自己的標準流程,因此我們主要是用螢光奈米鑽石來解決過去不能解決的問題,補足現有生物技術做不到的功能。
以前面的老鼠肺部幹細胞標記為例,生物學家較習慣使用「螢光蛋白」來標示生物分子,運用螢光蛋白需對幹細胞做基因修改,但基因修改可能會影響幹細胞的功能。因此這方面的實驗其實很適合改用螢光奈米鑽石,因為不會對幹細胞的功能產生影響。
此外,奈米鑽石的螢光強度幾乎不會降低,非常穩定,維持個一百年都沒問題(笑)。
至於其他熱門的生物應用奈米材料,例如奈米金、奈米碳管、石墨烯等,都被認為很可能對人體有毒。像是奈米金,金原子本身可能沒有毒性,但在製作奈米金的過程需要加入界面活性劑,界面活性劑則被認為可能有毒;但若不加入界面活性劑,奈米金原子又很容易聚在一起,而無法達到使用目的。
另外,奈米碳管和鑽石雖然都是由碳原子組成,但奈米碳管在製作過程中,需加入很多對人體有毒的金屬催化劑;加上奈米碳管的碳原子排列是sp2結構,也就是呈現三角形的平面結構,應用時若進行酸洗等表面加工修飾,很容易破壞sp2結構,所以也不大適合生物醫學實驗。
在未來發展上,螢光奈米鑽石受限的關鍵,在於目前美國食品藥品監督管理局(FDA)還沒核可進行人體實驗,因為FDA傾向核可生物可分解材料(Biodegradable)。螢光奈米鑽石雖然對生物體內的細胞功能沒有影響,但不會被生物降解,所以目前螢光奈米鑽石的研究集中在小鼠、大鼠和迷你豬的臨床前實驗。

Q:十多年來持續研究螢光奈米鑽石的動力?
1997年我想出「螢光奈米鑽石」這個點子,但那時還沒有適合的技術,經歷一段空窗期做不出來。直到2005年有了Google,我搜尋到其實中研院物理所就有加速器,可以用來轟擊奈米鑽石,就從那時開始研究螢光奈米鑽石至今。
螢光奈米鑽石的製程條件很嚴苛,要說是什麼因素支持我持續研究,第一當然是,我覺得這真的很有趣(笑)。而這十多年來我們研究團隊也累積了許多世界領先的研究成果。像是最開始製作螢光奈米鑽石的材料,為了產生鑽石的「氮—空缺顏色中心」空缺,我們在實驗室建造了一台四萬電子伏特的離子加速器來進行量產,是全世界首次證明螢光奈米鑽石可以量產,國內外許多實驗室也來跟我們索取螢光奈米鑽石進行合作。
由於螢光奈米鑽石是我們第一個製造,算是MIT(Made in Taiwan)的產品,因此我們也堅守這個材料的命名權,將它正名為FND。我們實驗室自己量產100公克的螢光奈米鑽石也用不完,所以很歡迎提供給全世界有需要的團隊使用。各國團隊和我們合作索取,或購買螢光奈米鑽石的材料做研究都可以,但發論文時提到這個材料,我們會要求對方稱呼我們訂定的「FND」這個名字。
目前全球使用螢光奈米鑽石的研究團隊超過100個,來自20個以上的國家。這些國外研究團隊的論文,除了發表於國際期刊如《自然》(Nature)及《科學》,論文裡都會註明螢光奈米鑽石的材料產地是來自中研院,並引用我們團隊的研究成果,算是一種讓臺灣在國際間被看見的方式。
螢光奈米鑽石材料製備好,可以供給大家方便使用,這很重要,否則只是自己做高興而已。
基於對螢光奈米鑽石的熱愛,我們研究團隊也花了三年的時間寫了一本Fluorescent Nanodiamonds(《螢光奈米鑽石》)英文專書,有系統地介紹螢光奈米鑽石的原理、應用和發展等等。這是我這幾年最得意的一件事,不為了論文數量、升等壓力,純粹就只是想將喜愛的知識傳播出去。因為我們收到很多人邀稿,想說就自己寫一本書,沒想到寫了三年才完成了三百頁。過程要和學生討論,要找漂亮圖片,還要寫得有趣,真是不容易。
至於未來的規劃,我們團隊正在建立「追蹤體內治療細胞之奈米技術平台」,簡單來說就是建立一個檢驗中心,協助大家運用螢光奈米鑽石做研究。只要你把樣品送過來,我們就能幫你將螢光奈米鑽石放入細胞、定量、回收、取得影像等等,完成這些標準流程。
其中定量是非常困難的技術,你可以想像,每次打入小鼠體內的螢光奈米鑽石總重量不到10微克,但一隻小鼠重量大約10克,之間的數量級差距達一百萬倍,要找到螢光奈米鑽石就像大海撈針。
因此我們希望發揮所擁有的技術優勢,訂一套標準作業程序,協助合作的團隊進行生物分子標記、確認細胞療效等等。希望能做到當有團隊要驗證某種細胞療法有沒有效果時,就想到要拿來臺灣找我們進行檢驗。我認為這樣才有前瞻性,也能向全世界證明,臺灣的研究能力不容小覷。

目錄
推薦序 格物窮理,開創未來╱廖俊智(中央研究院院長)

Part 1 天上新鮮事
Lesson 1 把望遠鏡搬到格陵蘭?!——觀測黑洞的瘋狂天文學家
Lesson 2 為什麼拍到銀河系中心黑洞很重要?如何看見黑洞?——黑洞QA大集結!
Lesson 3 電腦裡的小宇宙,重現絢麗的恆星爆炸!——天文學家的超新星模擬實驗室
Lesson 4 從J粒子到宇宙射線——丁肇中的實驗物理之旅
Lesson 5 冬天打雷為什麼是不祥之兆?氣象學家有解釋——追尋歷史氣候的蛛絲馬跡
Lesson 6 臺灣整體空氣品質有變好嗎?——有,但還需要解決臭氧這個隱藏角色

Part 2 地面藏玄機
Lesson 7 地球情緒量測師——GPS如何應用在地震研究?
Lesson 8 越過絲路的摩登探險家——鍾孫霖的地質調查之路
Lesson 9 大屯山偷偷藏了一個岩漿牛奶罐?——用震波破解大屯火山身下的祕密!
Lesson 10 一天24小時不夠用?——再等等,地球自轉越來越慢……

Part 3 電腦有妙算
Lesson 11 涂林機到人工智慧,誰讓電腦強大?是數學!——李國偉分享涂林機的故事
Lesson 12 人工智慧再進化,開啟電腦新「視」界!——電腦看的和你不一樣
Lesson 13 大型語言模型(LLM)究竟是什麼?——如何用LLM對付假新聞?
Lesson 14 眼見不一定為憑?——生成式AI帶來的信任危機!
Lesson 15 如何用數學探討因果關係?——先學會處理無限多個平行宇宙吧!

Part 4 實驗室奇招
Lesson 16 鑽石不只能求婚,還能用於生物醫學!——國產螢光奈米鑽石
Lesson 17 用石墨烯把水夾成冰!——室溫下的2D奈米薄冰原來是鐵電材料?
Lesson 18 灑下百道層光,一窺微觀世界的生命律動——晶格層光顯微鏡
Lesson 19 從銅板美食到生物材料,你所不知道的愛玉凍科學!——是什麼讓愛玉緊緊相依?

Part 5 新材料祕笈
Lesson 20 打造戰鬥天使艾莉塔有可能嗎?——這招將「電子元件」與「生物體」結合
Lesson 21 IC縮小術!林本堅院士談光學微影——如何把IC越變越小
Lesson 22 臺灣如何站穩量子科技浪潮?——專訪「量子推動小組」執行長張文豪
Lesson 23 淨零減碳之路,材料科學來幫忙!——林麗瓊院士談人工光合作用
Lesson 24 以理論照亮未知,追尋第一原理計算物理之美——專訪中研院副院長周美吟
Lesson 25 半導體大師施敏院士(1936-2023)——浮閘記憶體的追尋之路


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