化學/Chemistry
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電化學掃描式顯微鏡（SECM）為一種表面探針掃描分析技術，其原理是利用微電極或奈米電極探針的尖端與樣品間產生的交互反應，來分析的材料表面形貌或是檢測電化學活性物質的分布，並形成高分辨率的影像。SECM通常是由電化學工作站、三電極系統以及精密馬達所組成。其中探針是工作電極，另外還有輔助電極以及參考電極。傳統的工作電極以玻璃封裝的鉑電極為主，然而玻璃電極操作困難，不但易斷，還可能因為樣品表面的凹凸不平導致訊號受干擾。為了解決這個問題，我們發展了軟電極（系統），可以用接觸模式（contact mode）掃描樣品。也有人將SECM結合其他儀器，例如原子力顯微鏡（AFM）、掃描離子電導顯微鏡（SICM），來解決傳統電極的問題並且獲得更多測量資訊。目前SECM以及相關技術已廣泛應用於多種領域，如分析化學、電催化研究、腐蝕研究及表面修飾等。本篇文章除了介紹SECM操作的原理與歷史起源外，還統整並討論了目前的研究現況，並展示最新的研究，利用SECM掃描MXene奈米顆粒。MXene是由幾個原子層厚度的二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成，其具獨特的金屬導電性、良好的親水性，高表面積比和廣泛可調等特性，已應用在能量存儲、傳感、光電、催化和生物醫學等眾多領域。SECM的圖片可以確認MXene的高導電性，並且分析MXene在聚偏二氟乙烯膜（PVDF）上的分布。
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原子力顯微鏡（atomic force microscopy, AFM）是一種掃描探針技術，可以非常高分辨率地成像表面形貌。AFM還可以通過探針與樣品表面間作用力，進而獲得表面物理化學資訊，例如表面形貌、顆粒尺寸分析、表面粗糙度、電性、壓電性、鐵電性或磁性等。奈米表面科學的研究如雨後春筍般蓬勃發展。如今AFM也衍生出許多模組化功能。在這項研究中，我們將探討掃描開爾文探針顯微鏡（scanning Kelvin probe microscopy, SKPM）的應用。SKPM是一種基於AFM的技術，通過檢測導電探針和樣品表面之間的電容力來測量表面電位。這些力可以通過在針尖（或樣品）上施加適當的偏壓來補償，其值取決於由於針尖和樣品功函數之間的差異而產生的電容大小。因此，所施加的偏置值等於（和相反）尖端與樣品之間的表面電位差。AFM在掃描形貌時測量這些值的過程，可以生成與結構相關的表面電位圖像或形貌圖。此外，我們可以通過將表面電位轉換為功函數來表徵表面電性能的變化。我們還使用SKPM研究濕度對鈣鈦礦薄膜表面電勢／功函數的影響。SKPM的應用將改善我們對這些鈣鈦礦表面電異質性的理解，使我們能夠定位和識別缺陷部位，並為改進工藝提供有價值的意見。我們為表徵和優化這些材料的性能而做出的努力將導致鈣鈦礦基材料和設備的穩定性，更高的性能以及更長的使用壽命。此技術有助於未來瞭解導電／半導體材料（如：晶圓或電晶體）表面電性異質區或定位缺陷位置，進而找出缺陷的源頭並加以改善。對於未來在光電元件穩定性的改善非常重要。
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二維單晶過渡金屬二硫屬化物主要為具有不同邊緣原子結構的三角形薄膜，且具有半導體特性。多光子激發掃描顯微鏡可用於研究其一維原子邊緣的侷域電子能態，其位於能隙中，在量子觀點下此能態可導致光學二倍頻的大幅增強。因此二倍頻影像量測可以推斷微觀下硫的Z字形邊緣、鉬的Z字形邊緣與硫－鉬Klein邊緣（裸鉬原子從一個硫的Z字形邊緣突出）和其邊緣原子相依的共振能量。我們使用基於密度泛函理論的計算來解釋此三種邊緣態之間的能量差異。這種精確而實用的全光學技術為表徵過渡金屬二硫屬化物提供了便利和高效率的途徑。
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離子液體由於具有低揮發性、高離子導電性和熱穩定性使其能夠應用在高真空的掃描式電子顯微鏡。目前將離子液體導入到掃描式電子顯微鏡中的應用可以分成兩部分，第一部分為將離子液體當作樣品的前處理試劑應用在非導體、含水以及生物材料中，用於取代傳統的濺鍍金屬層，此方法製備過程簡單、快速且對於含水和生物樣品能夠維持其原本之樣貌，幫助這些樣品在掃描式電子顯微鏡中有更好的成像。第二部分則是將離子液體作為電化學反應的電解液並以掃描式電子顯微鏡觀測其臨場反應，此技術分別可以觀察到鋰離子電池充放電過程對於矽陽極形貌的影響和電沉積金屬／合金材料的成長／溶解過程。
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細胞內大量的遺傳訊息被保存於核酸分子中，要維持遺傳物質的完整性對於細胞的正常功能是非常重要的。而在細胞內，有各式各樣的調節機制用於維持遺傳物質的完整性，而此一調節機制被概括為核酸分子的新陳代謝。在本文中，我們將介紹數種單分子偵測方法。並介紹如何用單分子栓球技術去研究核酸分子之新陳代謝過程，包含同源重組的反應及調控機制、特定位置重組蛋白的反應及調控機制、染色質的縮合及核小體的結構之調控，得到大量的新訊息證實單分子偵測技術確實對於分子機制的探討為有用的偵測方法。
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本工作使用軟X光吸收光譜、電化學石英微天平、和熱脫附質譜儀技術，觀測如何從pH 4.8硫酸銅溶液中銅離子電鍍生長和溶解的機制。發現電鍍銅過程可產生過氫氧根，穩定住Cu^+氧化態和避免金屬銅（Cu^0）產生。氧化亞銅表面生成羥基氧化物（oxy-hydroxide）形成介面水合氧化物（Cu_2O_(aq)），在後半段中陽極掃描中產生穩定氧化銅（CuO）結構和其Cu^(2+)氧化態，但在更高陽極電壓下，仍出現化學降解和表面溶解現象。臨場電位循環實驗中發現，相對於電鍍過程所需電子數目，溶解過程只收回更少電子數目，原因出自於水催化現象和反應中途所產生質子產物的伴隨效應。
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本研究開發出針對有機分子立體化學的擴增實境教具，教學模組是基於問題導向式的課堂活動並且搭配此虛擬教具，而教學目標分為三大重點：有機分子結構表徵法與轉換、構象與構型異構物、鏡像與非鏡像異構物等。另外，牽涉到特定立體化學觀念的有機反應也可以在課堂活動中運用此虛擬教具，幫助學生了解反應得到異構物產物與反應機構的關聯性。相較於只在課堂上操作實體分子模型，學生們在課後可以透過虛擬教具持續與化學分子互動，達到反覆練習與自我學習的效果，提升了複雜的有機分子立體化學的學習成效。目前適用於iOS與android手機系統的軟體都可以免費下載，歡迎對於有機分子立體化學教學或學習上有需求的教師或學生多加使用。