理念： “既可破，也可立” ； “既可立，也可破”
(A) 水为能源，发明崭新效率/经济方法断裂水分子O-H 键
(i) 氢气为理想之能源
我们地球的组成71% 是水。水分子化学式是H2O。直流电分解水，生成氢气 (H2) 和氧气 (O2)。
2H2O(l) → 2H2 (g) + O2(g)
氢为一基本能源，既可直接燃烧，也可转化为电能，以燃料电池提电力。
因原子量低引致氢之摩尔燃烧热不高 (butane ΔHΦcomb = 2,877 kJmol-1, hydrogen ΔHΦcomb = 286 kJmol-1)，但以重量/Kg计，氢之燃烧热远较其他燃料高。氢更有独特的优㸃是燃烧产物是水，完全没有污染，也可透过大自然力量循环再用，可以说是用之不尽的能源。
早在19世纪初便实现了电解水取得氢和氧，但用电力分解 O-H 键生产氢和氧并不划算。因此水作为能源迟迟都得不到应有之研发，取而代之是不可再生之化石燃料，即原/石油，其开发相当容易，而燃烧释放之热量也高。
(ii) 现时和将来运输工具之能源
随着内燃机之发明，人们聚焦化石燃料作汽车之主要能源。原油田在世界各地分别开发。分馏原油得挥发性强C7或以上之烷烃 (alkane)，用作汽车内燃机之燃料 (图 254, 255) 。不幸地，经过百年多的过量使用，尤其是提供各类电器电源之化石燃料发电厂释出之二氧化碳、二氧化硫和氮氧化气体，都达致世界级非常严峻水平。这不单只构成不可逆气候改变，严重影响生态环境，令人类和共生物种可持续进化空间大大缩小。前境是暗淡的。分馏原油提供汽车燃料，其衍生物也同时是巨量恶名昭张塑料的生产原料。汽车产量限制会令塑料工业萎缩，对维持平衡生态环境有正面作用。
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(图 254) 一欵1910年出厂四冲程内燃机轿车 | (图255) 一欵2021 Formula 1 V6引擎跑车 |
多年来，锂电池电动车渐渐取代燃油汽车。一切车辆不采用石化燃料集体地称作新能源车，替代燃料车 (Alternative fuel vehicles)。新能源车或混能式汽车将会主导未来汽车市场 (图 256)。明显地，由政府政策主导这次运输能源改变可大大减少空气污染。但是，处理旧锂电池所费所不菲，不用说大规模开发锂矿。再者，加建更多发电厂才可以满足电源供应，又不可避免地引起空气污染。
(图 256) 新能源泛汽车充电
另一方面是开发氢能源，用氢燃料电池作动力。工业生产氢气用重整 (reforming) 水蒸气/天然气 (+催化剂) 技术： CH4 (natural gas) + H2O (+ heat + catalyst) → CO + 3H2. 氢燃烧生成水分子，十分环保。不过，重整工序并不有益和友善，因生成之 CO需要处理。这些燃料电池电动车 (FCEV) 售价高昂，补充燃料也不如充电电动车方便 (图 257)。
2021年, 理工大学电机工程学系教授郑家伟联同英国牛津大学，成功研发全球首辆以氨（ammonia）作为燃料推动的电动车。燃料电池系统中之氨被转化为氢和氮，释放之氢气则作为燃料电池原料。
(图257) 香港氢能巴士
(iii) 创新方法断裂水分子O-H键
水分子有两长0.096 nm O-H键。只有近 g 射线波长电磁玻才可以引发键共振导致O-H键断裂，取得氢和氧。这方法制备氢毫无成本效益可言。
分解水分子是化学反应，活化能大小决定反应速率。用适当催化剂是降低反应活化能最好方法。
已经有很多文献报告以可见光触发和TiO2催化作用下可分解水产生氢气。2007年港大机械工程系发表论文 (A review and recent developments in photocatalytic water-splitting using TiO2 for hydrogen production)，进一步研究如何在常态和有经济效益下从水获取氢作能源。
以现今之先进纳米技术，终有一天会实现大规模分解水为氢和氧，体验水为用之不尽能源。
(B) 实现可控核聚合 (nuclear fusion) 为能源
(i) 热核聚变和托卡马克 (Tokamak) 科技
第一代热核聚合 (thermonuclear fusion) 是把两个同位素氢，在一定条件下，发生原子核互相聚合作用。重氢同位素之原子核，氘核子deuteron, 和氚核triton, 于极高温作用下进行热核聚合，产生氦核和中子。
这核转变涉及 0.0188 amu 质量损失，或生成每一摩尔 释放1.69 × 109 kJ。于极高温度下才可以付予核子相当动能去克服撞击时正电荷间之强引力。若核聚合 (就像发生于太阳内部一样) 不受控制，结果便是引发一枚氢弹。直至现时，人们仍然不能有效利用核聚合去产生巨大民用能源。
现时，最有希望和可成熟热核聚合工艺是利用巨大环形磁场 (toroid) 控制等离子体 (plasma，极高温带电荷物态，物质第4 态) ，称作托卡马克 (Tokamak)。俄语意思是一个用磁圈包着的环形舱。托卡马克为一设施用极强磁场限制等离子体，形状像一环形圆 (torus)。
(图 258) 托卡马克线圈内部横截面图
托卡马克核心装置为一甜甜圈形状真空舱。舱内注入作为燃料之同位素氢气体，整体加热至超高温 (1.5 至3 亿 °C)，令气体离子化，变为等离子体。这些粒子被加强能量至可克服带正电荷核子间之强大电磁吸力，互相撞击至聚合，同时释放巨大能量 (图255)。
(图259) ITER Tokamak 规格
1985年世界最大之托卡马克反应设施，ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) 于法国兴建。目标是于 2021年完成组装 (图 259)，于 2025年开始发电。ITER是世界各国分别合作之大计划，参与国有欧盟、印度、中国、俄罗斯、日本、美国和南韩。可持续性挑战并不正面。
各成员国分别兴建自己之聚合反应堆。中国于2009年兴建中等规模托卡马克聚合反应堆HL-2M (图 260)。设施可产生1.5亿0C 等离子体和持续放电 10 秒，能量禁闭时间 (energy confinement time) 数百毫秒，称作「人造太阳」。
(图 260) 中国之 HL-2M 核聚合反应堆「人造太阳」
(ii) 现时核分裂反应堆发电厂工艺
有效可控铀核分裂燃料被广泛应用于发电厂作清洁和可持续能源 (图 261)。经过多年运行，核分裂发电厂工艺变得更加成熟，其效能和环保优势远远高于传统发电厂，好像是理想能源。不过，处理核废料是个严重问题，所有放射性元素半衰期都非常年久，动辄上百万年。核废料要永久封存，不可以外露。虽然核电厂有非常严格操作安全措施，但出事风险永远存在，不会百分百安全。核电厂失控事件历史上屡有发生，泄漏危险辐射。极端情况就像引爆一枚原子弹。最严重一次是上世纪切尔诺贝尔 (Chernobyl) 核灾难。
(圖261) 大亞灣核電廠
(iii) 冷核聚变
上述两种工艺从核反应获得能源都逃不开安全风险这大问题，不用说反应堆输入/输出效益。理想情况是室温下安全地进行核聚合。上世纪八十年代，有科学家声称室温下电解重水获取「余热」，视作冷核聚变现象 (网上搜寻)。随后，很多科学家重复实验，但都得不到预期效果。最后一致认为是一次「病态科学」事件(Pathological science)。追求冷核聚变并没有消失，不过至今还没有实质进展。
很期望STEM于各领域不断进展能一日实现冷核聚变，彻底解决能源问题。操作安全和结合环境之冷核聚变发电厂不啻为取代核裂变电厂和永不百分百安全核聚变电厂之完美选择。
(C) 持续创新新型物料
(i) 石墨烯 (Graphene)/世纪综合新物料
以下有关原子轨态 (atomic orbitals)、原子轨态杂化 (hybridization of atomic orbitals)、原子轨态重叠 (overlapping of orbitals)、s 键 (s bond) 和配对/未配对电子 (paired and unpaired electrons) 主题陈述并没有纳入DSE 化学科课程。但掌握它们之知识基础对明白石墨烯导电原因十分重要。这节可视为有关碳石墨主题之延伸。陈述之主题可上网参阅。
石墨是碳元素之同素异形物 (allotrope)。石墨由六角形碳原子层片组成。一个2s 碳原子轨态和两个2p碳原子轨态透过杂化数学处理 (不是化学反应)，每一杂化轨态有1 电子。每个杂化轨态都有一未配对电子。3个这样杂化轨态互相重叠，产生3σ 键 (3 配对电子)，把碳原子以120o 二维地连接起来，形成一六角形碳原子层。碳原子层间以弱范德华引力联系一起 (图 262)。没有杂化之2p 原子轨态电子以自由电子存在 (图 263)，令石墨导电和导热。
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| (图262) 两石墨烯层以范德华引力联系一起 | (图263) 两石墨烯层侧面图 |
2004 年英国曼彻斯特大学两位教授Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 成功用一个非常简单方法 – 透明胶布，剥落一层石墨基质并以Raman 光谱仪辨认其性质 (图 264)。单层石墨烯 (graphene) 拥有独特特性。目前，全世界科学家们正努力地展开广泛研究石墨烯和其衍生物料之影响深远应用。两位教授于 2010 年获授予诺贝尔物理学奖。
(图 264) 单层石墨烯
石墨烯独特特性包括：(i) 极高硬度、(ii) 高黏性、(iii) 高延展性和柔韧性、(iv) 导电和导热优于银、(v) 高透明度、(vi) 低质量密度、(vii) 独特导电和光学特性和 (viii) 高不渗透性。
石墨烯以不同类型存在，例如纳米管、薄片、线、涂层等，其综合建材有无限应用。石墨烯作为原料另一优点是石墨为碳之同素异形，完全可再生。近年，多国政府和跨国企业投放极多资源研发各种石墨烯应用，涵括民用和军用领域。
* 各方面民用领域 (只引用主要应用)：
| (a) | 电子资研讯产品 已经预测石墨烯可取代硅作为微电子电路基质，研发出比硅作为电路基质更强的芯片。石墨烯综合物料触控屏幕比 LED或 OLED屏幕更优胜、更轻、更簿、更灵敏和可折迭 (图265 和 266).
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| (b) | 可期待之高温商用超导物料 直至现时，只有特殊人造物料才可以在近零度 K 实现超导 (零电导电阻)，一般采用液态氦环境 (- 269 oC) 操作。科学家们不断努力尝试研发室温 (298 K) 超导物料，但一直没有任何进展。2018 年，中国年轻物理学天才曹原 (Cao Yuan) 于世界科学领域权威性期刊「自然」发表文章显示当两层石墨烯以「奇妙夹角 1.1度」组合起来时会在 1.7 K环境下产生超导现象。随着进一步研究显示三层石墨烯有特别特性。可以想象不久将来商用石墨烯物料以高温100 K (液态氧便可以，不用液态氦) 超导运行会面世。 | ||||
| (c) | 石墨烯物料锂电池 石墨烯综合物料锂电池性能远远优胜过传统锂或Ni-Cd电池 (图 267)。充电时间、充电/放电功率、存储量、使用期限和回收表现都优胜过同期产品。
(图267) 石墨烯物料锂电池生产示意图 | ||||
| (d) | 近乎完美综合物料 石墨烯有助设计更轻、更快和更安全车辆和飞机。其近超导特性会是设计磁浮动车材料之主要考虑 (图 268 和 269)。石墨烯在创新表面处理工艺占有一重要位置，强化和激活物料特性。
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| (e) | 医疗仪器 预期有生物界面 (bio-interfacing) 传感器技术研发，尤其是碳基质计算起始研究(图 270)。一个我们较熟悉方面是医疗界之磁力共振造影 (MRI)。这技术需要极强大电流通过超导物料保持在极低温 (液态氦 ~ -279 oC)。MRI仪器非常昂贵。若由超导石墨烯综合物料造成之MRI仪器维持于高温 (100 K而不是数K)，则费用可大大降低而担得起。
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| (f) | 量子计算器 石墨烯综合物料有望成为商用量子计算器芯片基质。现时 (0 1) 态电子逻辑闸计算器已迈向 7 nm、3nm 甚至 2nm 光刻工艺。当然，光刻技术是有底线的，最后一关要克服的是实时需要由 0 态转为 1 态或1 态转为 0 态，不可能是零秒，不用说存在已久之散热问题。(0 1) 态电子逻辑闸计算原理基于二元布尔表达式代数 (binary Boolean expression mathematics)，利用电磁波 (人工讯号) 为载体，以实质0 态 (0 V) 和 1 态 (5 V) 运算。 研发量子计算器有不同途径，其中有用光子，不是电子，作为载体。数学基础不是布尔逻辑，因为量子计算其于慨率为0 态或1 态而不是实质实时 (0/1) 态。石墨烯之特殊电子和光学特性有望用于设计量子计算器原型。
(图272) 石墨烯处理器会占将来民用量子计算器市场一显著位置 | ||||
| (g) | 石墨烯衍生物之润湿性质 (wetting property) 和拉胀材料 (auxetic materials) 石墨烯有疏水特性。石墨烯氧化物 (Oxide of graphene，GO) 则呈亲水性，但还原石墨烯氧化物 (Reduced oxide of graphene，RGO) 又呈疏水特性。以 GO为基质之DNA传感器可提供快捷廉价 DNA测试。智慧衣服物料以 GO或 RGO为涂层亦据市场要求研发中。石墨烯综合物料可以感应负NPR (Negative Poisson’s Ratio)。物料呈现此特性叫拉胀材料 (auxetic material) (图273)。顾名思意，拉胀材料就是一种拉扯下膨胀之物料。石墨烯纳米拉胀物料有创新应用，防爆军械、避弹衣等是显著例子。
(图273) 防爆拉胀物料 |
* 军事应用
因绝对保密，石墨烯于军事用途是不会被揭露的。网上搜寻知悉石墨烯综合物料有以下特性：(i) 极高电导、(ii) 超高硬度、(iii) 高黏性、(iv) 高柔软性和 (v) 低质量密度。正研发航空母舰之电磁弹射器和电磁炮 (图 274) 都应有石墨烯综合物料的影子。
(图274) 石墨烯综合物料组装航空母舰电磁弹射线性加速器示意图
总而言之，重新发现石墨烯是21世纪最重要之创新物料发明。
(ii) 氟化石墨聚合物(Flurographite polymer CFn)
(图275) 二维层氟化石墨聚合物
不像CF4 四面体单体，-(CFx)-n 聚合物碳原子轨态sp3 杂化，互相连接成一2D皱折层 (图275)。碳原子轨态sp3 杂化四电子全部参与形成四 s 键。因此层与层之间只有弱范德华引力，方便层移动。-(CFx)-n 聚合物是非常优胜润滑剂。
锂电池采用氟化石墨聚合物（Li- CFn）为正极可提供高储电能量、宽工作温度幅度和极稳定输出电压。
(iii) 准晶体 (Quasicrystal)
传统晶体学定义晶体为晶胞 (unit cell) 3D无限伸展成为整个空间之晶格 (lattice)。高中化学科课程通之常以原子层模型处理晶体架构。最密装填原子层 (closed packed layers of atoms) 以abab…或abcabc…两种叠加方式构成整个晶体 (DSE课程主题 XIV Material Chemistry)。大学晶体学课程则以密勒指数 (Miller index) 校授晶体架构。不论中学或大学课程，都一致确认晶体架构为粒子以有序 和重复 模式伸展。这是传统晶体学之「金科玉律」。
1984 年, Dan Shechtman 他的以色列IIT团队急冻一铝/锰合金成功研发出一种新型物料。其电子绕射组形 (electron diffraction pattern) 和传统晶体之有序和重复性不一橡。1997 年, 在东俄罗斯Khatyrka发现有天然陨石，其分子式为Al63Cu24Fe13 (二十面体，icosahedrite) 而其电子绕射组形和人工合成之准晶体相符 (图 273)。
Quasicrystals: Prof. D. Shechtman
(图276) 独特5倍二十面体晶格电子绕射组形
2011 年Dan Shechtman 获授予化学科诺贝奖。概括地说：「准晶体为一有序长程定向和缺乏移动对称性之金属相」。这种晶格模式 (图 276) 界乎有序顺列和无序模式，或称作准晶体。准晶体被视为只可以于实验室合成，不存在于大自然。直至寻找到天然矿物Al63Cu24Fe13，并显示出准晶体晶格不被许可之五倍对称现象 (five-fold symmetry，网上搜寻 rotational symmetry)，这发现暗中颠覆了整个深深牢固认识晶格为有序模式之概念。
准晶体晶格有序部份符合数学「斐波那契数列（Fibonacci sequence）」(网上搜寻：斐波那契数系列、两个连续斐波那契数之比例、斐波那契数、黄金比例1.618033…、解二次方程式x2 – x – 1 = 0)。斐波那契数列由0 开始，跟着是 1，随着之数字为前两个之和。斐波那契数列：0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…。很多人类结构、建筑、天然花朵等都呈现斐波那契数和黄金比例 (图277, 278, 279, 280)。股票市场分析师以黄金比例 38.2% 检视股票价值走向趋势是否属于市场整体或个别股票。
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| (图 277) 向日葵斐 波那契螺旋 | (图278) 女士是否漂亮和器官之黄金比例有关联 | (图279) 斐波那契螺旋梯级 | (图280) 钢琴13音键八度音阶以斐波那契数例 2,3,5,8和 13排序 |
准晶体有特别属性。准晶体超硬但又有伸缩性，异常地光滑。不像其他金属，准晶体导电和导热性都很低。科学家正寻求研发准晶体综合物料商用和家用应用，例如新颖LED，易洁物料等。期望准晶体综合物之抗高温特性可用于航天器结构。
(iv) 隐身物料 (Stealth material)
长时间来，照相机镜头或眼镜都涂上一透明涂层，目的是滤去反射波，只容许折射波进入镜头，感应传感器 (或早期菲林)。原理不复杂 (温习 课程 (1)，主题 11，第148页)，涉及之艺相当先进。涂层厚度只有射入光波长之1/4。涂层表面反射波和涂层后面 (即镜头表面) 之反射波互相叠加 (数学词汇是波函数相加)，产生低消性干扰 (destructive interference)，彻底毁灭两反射波。消除反射波涂层 (图 281) 称作「四份一波长涂层」。
人类眼睛以看见东西是因为对象之反射波透过眼球视觉神经指示大脑告知对象之性质 (反射波波长)，光暗 (反射波波幅) 和大小 (反射波相位差)，(温习课程 (1)，主题 6，第28页)。若对象盖上特别涂层不容许有反射波，那么我便看不见对象，对象隐形了。不过，有一点对这种工艺特别致命，就是反射波之波长。举个例：有人日间穿了这种衣服变得隐形，但用红、绿或蓝光照射就会现真身。
这类隐身工艺广泛被用作军事用途，作为微波雷达看不见之军事武器。例如美军之 F-22和F-35、中国之J-20和 J-31或战舰。它们都有特定形状和涂上吸收微波涂层，令它们在接受雷达屏幕上只显示为小点。不过，已经指出，若用米波雷达来跟踪，它们不会再隐形了。
(图281) 反射波波幅低消性干扰导致毁灭
这类民用涂层物料可引致道德问题和诉讼。若有足够监控机制，这类隐身物料之应用也是STEM一项成就。
(v) 3D打印度身订造创新物料
传统二维计算机打印机运作包括墨水、纸张、硬件和软件。顾名思义，3D 打印机可打印出三维产品 (图282) 。一如传统打印机 ，3D 打印机需要特别硬件和软件，而其「墨水」则是塑料、液体或粉状原料。代替输出文件或相片，3D 打印机改为输出立体对象。
传统打印机以行列扫描，而3D 打印机则以多层扫描。对象是以多次层沉淀造出来 (图283) 。专业3D 打印是现时科技发展的流行趋向。
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| (图 282) 商用 3D 打印机 | (图 283) 多层3D 扫描 |
现在和将来3D 打印科技应用范畴：
| * | 军事用途 战机发动机零件、导弹、小型潜艇艇身、无人机、手枪等等 (图 284， 285).
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| * | 工业行业 航天工业轻型部件原型、轻型内燃机机壳原型、飞机内部部件、汽车度身订造座椅、机器零件、配件等。(图 286， 287).
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| * | 医疗领域 近期创新医疗领域3D 打印应用四个主要方向：(i) 制造器官和类器官、(ii) 手术仪器、(iii) 专利手术模型和 (iv) 度身订造义肢 (图288， 289)。世界各国都投放大量资源于这专业范畴。
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| * | 建筑行业领域 除了建筑物的核心结构，很多建筑组件都可以3D 打印成形。建造3D 打印有如下优点：快速量产、差不多没有废弃原料、高成本效益、支持创新设计等。打印头为机器人挤压机。钢根、混凝土和 3D 多层打印预制组件造成各种形状建筑物。3D 建筑打印是未来新生活方式 (图290，291)。
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| * | 民用市场 小型3D 打印机于民用市场拥有重要位置，教育领域是其中佼佼者。单片机微型处理器 (Single chip microprocessor) 作为界面，连接 3D 打印机广泛用于中学和大学推广 STEM 教育。近期素食潮流兴起，激发市场 3D 打印各款素食肉类 (图 292， 293).
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法律问题
迅速发展之3D 打印技术引起可能冒犯法律规定问题。要点是透过3D 打印侵犯知识产权之发布，例如版权、专利、设计权、商标等。除了认知侵犯知识产权外， 3D 打印产品责任学说应该归纳入通识教育。
(vi) 创新包装物料代替广泛灾难性不可降解塑料
| * | 大规模制造和采用不可降解塑料 广泛采用塑料胶袋已做成全球性极严重生态破坏，这问题是目前急要解决的。现时，一般采用「4R」方法：回收 (recycle) 、减少 (reduce) 、重用 (reuse) 和替代 (replace) 。其他办法如采用可降解塑料、可生物降解塑料和可制成堆肥塑料都得到推广。但效果不显著。深层次原因复杂，超出讨论范畴。 理论上我们应放重心在生产塑料方面上而不是只关注它的用途和废弃处理。生产少些塑料应该会是少些环境污染。不过有一点要注意：所有塑料生产原料都来自石油分馏衍生物。限制塑料生产当然会改善生态环境，但同时也打破石油生产平衡局面。石油分馏产品只有小量用于塑料生产，大部份是用于汽车汽油、飞机航油、船只、热能重油等。如实施这大计划，肯定对原油消耗和市场价格做成冲击。不过，限制塑料生产会引起塑料价格上升，对环保这方面也是有好处的。除非再生能源有足覆盖性而起减少消耗化石燃料作用，我们还没有空间把定量减少原油生产从而减少塑料原料生产提上政策议程。 随着齐格勒-纳塔催化剂 (Ziegler-Natta catalyst) 工艺非常成功大量生产烯烃聚合物 (Karl Ziegler于1963年获授予诺贝尔化学奖) (图 294)，至2010年，全球整体由烯烃和有关催化剂生产之塑料、弹性体、橡胶等超过1亿吨，代表全球不可降解塑料之最大产量商品。
(图294) 乙烯Zr-催化剂聚合机制 当你出街购物完毕，你有没有发觉带家的东西有多少和塑料/或与塑料有关？可有一日完全零塑料收获？ 塑料产品真的如水银泄地，无处不在。 现时采用之「4R」措施：「回收」(recycle)、「减少」(reduce)、「再用」(reuse) 和「代替」(replace) 效果不显著。年度由不可降解塑料引起之生态环境破坏不降反升。 另一较具规模措施处理废弃塑料是用焚化方法。一般碳基聚合物主体为-CH2– s 键链。高温能断裂 -C-C- 或 -C-H- 共价键。焚化废弃塑料产生热能，可供发电。可是，焚化废弃塑料产生极大空气污染。讨论是否建造焚化炉通常是个小区问题。 | ||||||||||||||||||||||
| * | 创新室温固态亚稳水聚合物包装物料 水分子结构 DSE 主题VI (Microscopic World II) 以价层电子对相斥学说 (Valence Shell Electron Pair Repulsion，VSEPR) 陈述水分子结构和氢键。用价键原子轨态杂化理论 (Valence Bond Hybridization of Atomic Orbital) 处理水分子结构 (参阅179页) 有更好的键三维透视。
假设水分子之氧原子轨态以2s2p3 三维四杂化轨态。sp3杂化轨态立体几何为每四个轨态指向对角简单立方体 (图296)。每两杂化轨态安放一未配对电子而另每两杂化轨态一配对电子。水分子通常以二维示意图表达 (图 295) 。水分子之电子全部配对 (两孤电子对 + 两 O-H s 键电子对)，没有自由电子，因此水分子不导电。 神秘的氢键 氢键无处不在，人体也不例外。氢键发生在已经以共价键与其它原子键结合的氢原子与另一个原子之间（X-H…Y），通常发生氢键作用的氢原子两边的原子（X、Y）都是有一孤电子对之电负度较强的原子，如F、O、N等。一般涉及氢之共价键为单键共价键。但氢键可视为特别双键共价键，结合两原子之一单键共价键和一较弱之氢键。氢键键能以数十kJ mol-1为主 (例如O-H…O， 21 kJ mol-1)。也有人视氢键为一种三电子键。直至现今，科学家仍然对氢键未能建立一满意定量解释模型。 透过氢键缔合水分子 氢键传统被认为是一种分子间引力。但是，因为它的独特性、覆盖领域和最强之分子间引力，氢键被挑出为另类键。下表显示各类键强度：
(图 294) 各类键相对强度 数个水分子透过氢键缔合起来形成链条或其他形状 (图298, 299)。氢键强度足以令水分子三维地串连起来，像离子键一样。通常6-7水分子缔合成聚合体，不停形成和分离。因此水分子为液体。
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(图300) 想象之水聚合物股链(D) 电力是否终极能源？
自18 世纪以来，人类知晓电能和懂得如何令电产生工作能力。直至今天，人们生活每一环节都和电力扯上关系。用一不太好措辞：「我们已经沦为电力奴隶100多年」。有否另一能源取代电力？
数百年来人类成功地利用电子作无尽各种各样应用，从小至纳米微型电子设备至大至太空站。虽然如此，直至最近，人们还不可以实时观看粒子性质(9.11 x 10-31 Kg, -1.6 x 10-19C, 自旋 1/2) 存在之电子。最近，科学家用极短极强激光脉冲，称作阿秒 (attosecond，10-18 s) 脉冲，第一次成功捕获电子运动 (图 301)。
(图301) 瑞典Lund大学用Velocity Map Imaging Spectrometer (VMIS) 以阿秒激光脉冲记录电子动量时延函数之分布图
一般来说，两类电流通过导电体，即 (i) 直流电 (Direct Current，DC，源于爱廸生 Edison) 和 (ii) 交流电 (Alternating Current，AC，源于尼古拉·特斯拉Nikola Tesla). DC 和 AC 电流都广泛用于一切日常电器。
| * | 电力之宏观应用 劳仑兹力(Lorenz force，electromagnetic force) 原理作动能之发动机以海量般应用于洗衣机、空调机、冰箱、升降机、汽油车、新能源车、电动车、电车等等。电力照明 (图303) 也非常重要。现时主打创新领域如航天科技 (图 304，310)、可控热核聚合反应堆 (图307)、新颖物料、IT等都以电力为启动平台。总之，当我们出家门活动时就会发现不是电力正在工作就是经过电力加工之物料。电力真的以无形或实质无处不在。
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| * | 电力之微观应用 – 数字世界 以布尔二元表达式为基础之逻辑闸运算芯片革新了微电子生态环境。随着时间过去，我们经历了电讯一次翻天覆地的改变，从电缆固网至无线模拟1G、无线数字 2G、3G、4G和5G一连串急剧提升 (图309)。所有电子数字设备的中心组件是逻辑闸芯片。智能手机不可少之系统单芯片 (System on a chip，SoC) 极具争议性。疯狂地下过亿订单7 nm EUV 光刻或小之SoC芯片导致市场呈现严重短缺。SoC 生产流程之樽颈位为极高精度由 ASML Holdings 生产之EUV光刻机 (图 308)。不幸地，没有电力这款机器也开动不了。
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| * | 没有电力的世界 金金属位于电化序 (electrochemical series) 铁之上方要用电力从矿石提炼出来。「铁器时代」大约处于 300至3000年前。18世纪时，最坚硬的金属便是铁，因电力还未发明。金属如铝、锌或钠等都要用电力提炼。没有电力，人们便要忽然回到18 世纪年代去生活。出门预期要步行，骑马是一种奢侈。再没有电饭煲，要用木柴烧饭。没有自来水，用井取水。用蜡烛而不是 LED灯来照明。大型工业只有炼铁之高炉 (图311，312) 。这都是铁一般的现实，你喜欢吗？我想环保先锋会欢迎这一状况，这正是挽救地球的方案，使它再有数世纪健康地成长。
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| * | 「电力时代」可能是终极之后「铁器时代」 我们生活在后「铁器时代」，电力是主要消费能力能源。所有人工制造东西起码有一联系与电力有关。明显地，没有电力，我们便不可以保持我们的生活方式而这趋势可见未来世纪也是如此。就算日后可控热核聚合堆发电成功，输出到终点用家仍是电力。电力是罩在我们头上的无形穹顶，主宰人类一切活动。 |
(E) 「暗物质」( Dark Matter) 和其未来供人类利用之可行性
数十年来，科学家们都一直关注外层空间不明物质和能量可否转化为可用能量。
我们宇宙的组成为 5% 平常物质 (由原子组成之可见物质)、27%「暗物质」(图 310) 和 68% 「暗能量」。后两者构成全部质量 – 能量95%。人类对寻求能源的不朽追求令高深数学概念 (强互相作用，strong interaction) 和先进设计 (反应堆，reactor) 结合起来成功实现可控热核聚合反应释放巨大能量从而产生源源不绝之电力。如此的可能性只发生在平常物质丰盛之四维地球。人类可否用一如在地球常用能源开采法去利用超四维空间之「暗物质」？
(图313) 哈勃太空望远镜 (Hubble Space Telescope) 整合从星系团Cl 0024+17捕获之「幽灵」暗物质造影
要科学地解释现象和寻求应，传统方法是进行「理论跟随实验」步骤。若我们要揭开暗物质本质，也许也要用这一处理方法。标准模型 (Standard Model) 牵涉数学处理物质费密子 (Fermion) 和相互作用波色子 (Boson)，得出之理论可解释地球平常物质本质，也可以实验验证。显著例子就是实现可控热核聚合反应堆，以极高温等离子体克服氢核间之强互相作用，释放巨大能量。不过，标准模型并不考虑外层空间研究极基重要之引力场 (gravitational field)。于是科学家们着眼另一可数学处理外层空间本质之理论。
经过半世纪热烈研究和讨论，弦理论 (String Theory) 被认为是最有希望能数学处理外层空间物质 – 引力本质之解释模型。至今，弦理论仍处理论领域，没有人尝试和实验作任何耦合。人类能捕获「暗物质」和进行实验才是重中之重。现时 CERN (欧洲核子研究组织) 辖下之对撞机实验或进行XENON 实验都是针对平常物质，不是「暗物质」。可否做「暗物质」实验不会是未来数代人可回答。
「暗物質」和「暗能量」來源
弦理论
(D) 电力是否终极能源？
自18 世纪以来，人类知晓电能和懂得如何令电产生工作能力。直至今天，人们生活每一环节都和电力扯上关系。用一不太好措辞：「我们已经沦为电力奴隶100多年」。有否另一能源取代电力？
数百年来人类成功地利用电子作无尽各种各样应用，从小至纳米微型电子设备至大至太空站。虽然如此，直至最近，人们还不可以实时观看粒子性质(9.11 x 10-31 Kg, -1.6 x 10-19C, 自旋 1/2) 存在之电子。最近，科学家用极短极强激光脉冲，称作阿秒 (attosecond，10-18 s) 脉冲，第一次成功捕获电子运动 (图 301)。
(图301) 瑞典Lund大学用Velocity Map Imaging Spectrometer (VMIS) 以阿秒激光脉冲记录电子动量时延函数之分布图
一般来说，两类电流通过导电体，即 (i) 直流电 (Direct Current，DC，源于爱廸生 Edison) 和 (ii) 交流电 (Alternating Current，AC，源于尼古拉·特斯拉Nikola Tesla). DC 和 AC 电流都广泛用于一切日常电器。
| * | 电力之宏观应用 劳仑兹力(Lorenz force，electromagnetic force) 原理作动能之发动机以海量般应用于洗衣机、空调机、冰箱、升降机、汽油车、新能源车、电动车、电车等等。电力照明 (图303) 也非常重要。现时主打创新领域如航天科技 (图 304，310)、可控热核聚合反应堆 (图307)、新颖物料、IT等都以电力为启动平台。总之，当我们出家门活动时就会发现不是电力正在工作就是经过电力加工之物料。电力真的以无形或实质无处不在。
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| * | 电力之微观应用 – 数字世界 以布尔二元表达式为基础之逻辑闸运算芯片革新了微电子生态环境。随着时间过去，我们经历了电讯一次翻天覆地的改变，从电缆固网至无线模拟1G、无线数字 2G、3G、4G和5G一连串急剧提升 (图309)。所有电子数字设备的中心组件是逻辑闸芯片。智能手机不可少之系统单芯片 (System on a chip，SoC) 极具争议性。疯狂地下过亿订单7 nm EUV 光刻或小之SoC芯片导致市场呈现严重短缺。SoC 生产流程之樽颈位为极高精度由 ASML Holdings 生产之EUV光刻机 (图 308)。不幸地，没有电力这款机器也开动不了。
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| * | 没有电力的世界 金金属位于电化序 (electrochemical series) 铁之上方要用电力从矿石提炼出来。「铁器时代」大约处于 300至3000年前。18世纪时，最坚硬的金属便是铁，因电力还未发明。金属如铝、锌或钠等都要用电力提炼。没有电力，人们便要忽然回到18 世纪年代去生活。出门预期要步行，骑马是一种奢侈。再没有电饭煲，要用木柴烧饭。没有自来水，用井取水。用蜡烛而不是 LED灯来照明。大型工业只有炼铁之高炉 (图311，312) 。这都是铁一般的现实，你喜欢吗？我想环保先锋会欢迎这一状况，这正是挽救地球的方案，使它再有数世纪健康地成长。
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| * | 「电力时代」可能是终极之后「铁器时代」 我们生活在后「铁器时代」，电力是主要消费能力能源。所有人工制造东西起码有一联系与电力有关。明显地，没有电力，我们便不可以保持我们的生活方式而这趋势可见未来世纪也是如此。就算日后可控热核聚合堆发电成功，输出到终点用家仍是电力。电力是罩在我们头上的无形穹顶，主宰人类一切活动。 |
(E) 「暗物质」( Dark Matter) 和其未来供人类利用之可行性
数十年来，科学家们都一直关注外层空间不明物质和能量可否转化为可用能量。
我们宇宙的组成为 5% 平常物质 (由原子组成之可见物质)、27%「暗物质」(图 310) 和 68% 「暗能量」。后两者构成全部质量 – 能量95%。人类对寻求能源的不朽追求令高深数学概念 (强互相作用，strong interaction) 和先进设计 (反应堆，reactor) 结合起来成功实现可控热核聚合反应释放巨大能量从而产生源源不绝之电力。如此的可能性只发生在平常物质丰盛之四维地球。人类可否用一如在地球常用能源开采法去利用超四维空间之「暗物质」？
(图313) 哈勃太空望远镜 (Hubble Space Telescope) 整合从星系团Cl 0024+17捕获之「幽灵」暗物质造影
要科学地解释现象和寻求应，传统方法是进行「理论跟随实验」步骤。若我们要揭开暗物质本质，也许也要用这一处理方法。标准模型 (Standard Model) 牵涉数学处理物质费密子 (Fermion) 和相互作用波色子 (Boson)，得出之理论可解释地球平常物质本质，也可以实验验证。显著例子就是实现可控热核聚合反应堆，以极高温等离子体克服氢核间之强互相作用，释放巨大能量。不过，标准模型并不考虑外层空间研究极基重要之引力场 (gravitational field)。于是科学家们着眼另一可数学处理外层空间本质之理论。
经过半世纪热烈研究和讨论，弦理论 (String Theory) 被认为是最有希望能数学处理外层空间物质 – 引力本质之解释模型。至今，弦理论仍处理论领域，没有人尝试和实验作任何耦合。人类能捕获「暗物质」和进行实验才是重中之重。现时 CERN (欧洲核子研究组织) 辖下之对撞机实验或进行XENON 实验都是针对平常物质，不是「暗物质」。可否做「暗物质」实验不会是未来数代人可回答。
「暗物質」和「暗能量」來源