理念： “既可破，也可立” ； “既可立，也可破”
(A) 水為能源，發明嶄新效率/經濟方法斷裂水分子O-H 鍵
(i) 氫氣為理想之能源
我們地球的組成71% 是水。水分子化學式是H2O。直流電分解水，生成氫氣 (H2) 和氧氣 (O2)。
2H2O(l) → 2H2 (g) + O2(g)
氫為一基本能源，既可直接燃燒，也可轉化為電能，以燃料電池提電力。
因原子量低引致氫之摩爾燃燒熱不高 (butane ΔHΦcomb = 2,877 kJmol-1, hydrogen ΔHΦcomb = 286 kJmol-1)，但以重量/Kg計，氫之燃燒熱遠較其他燃料高。氫更有獨特的優㸃是燃燒產物是水，完全沒有污染，也可透過大自然力量循環再用，可以說是用之不盡的能源。
早在19世紀初便實現了電解水取得氫和氧，但用電力分解 O-H 鍵生產氫和氧並不划算。因此水作為能源遲遲都得不到應有之研發，取而代之是不可再生之化石燃料，即原/石油，其開發相當容易，而燃燒釋放之熱量也高。
(ii) 現時和將來運輸工具之能源
隨著內燃機之發明，人們聚焦化石燃料作汽車之主要能源。原油田在世界各地分別開發。分餾原油得揮發性強C7或以上之烷烴 (alkane)，用作汽車內燃機之燃料 (圖 254, 255) 。不幸地，經過百年多的過量使用，尤其是提供各類電器電源之化石燃料發電廠釋出之二氧化碳、二氧化硫和氮氧化氣體，都達致世界級非常嚴峻水平。這不單只構成不可逆氣候改變，嚴重影響生態環境，令人類和共生物種可持續進化空間大大縮小。前境是暗淡的。分餾原油提供汽車燃料，其衍生物也同時是巨量惡名昭張塑料的生産原料。
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| (圖 254) 一欵1910年出廠四衝程內燃機轎車 | (圖255) 一欵2021 Formula 1 V6引擎跑車 |
多年來，鋰電池電動車漸漸取代燃油汽車。一切車輛不採用石化燃料集體地稱作新能源車，替代燃料車 (Alternative fuel vehicles)。新能源車或混能式汽車將會主導未來汽車市場 (圖 256)。明顯地，由政府政策主導這次運输能源改變可大大減少空氣污染。但是，處理舊鋰電池所費所不菲，不用說大規模開發鋰礦。再者，加建更多發電廠才可以滿足電源供應，又不可避免地引起空氣污染。
(圖 256) 新能源泛汽車充電
另一方面是開發氫能源，用氫燃料電池作動力。工業生產氫氣用重整 (reforming) 水蒸氣/天然氣 (+催化劑) 技術： CH4 (natural gas) + H2O (+ heat + catalyst) → CO + 3H2. 氫燃燒生成水分子，十分環保。不過，重整工序並不有益和友善，因生成之 CO需要處理。這些燃料電池電動車 (FCEV) 售價高昂，補充燃料也不如充電電動車方便 (圖 257)。
2021年, 理工大學電機工程學系教授鄭家偉聯同英國牛津大學，成功研發全球首輛以氨（ammonia）作為燃料推動的電動車。燃料電池系統中之氨被轉化為氫 和氮，釋放之氫氣則作為燃料電池原料。
(圖257) 香港氫能巴士
(iii) 創新方法斷裂水分子O-H鍵
水分子有兩長0.096 nm O-H鍵。只有近 g 射線波長電磁玻才可以引發鍵共振導致O-H鍵斷裂，取得氫和氧。這方法製備氫毫無成本效益可言。
分解水分子是化學反應，活化能大小決定反應速率。用適當催化劑是降低反應活化能最好方法。
已經有很多文獻報告以可見光觸發和TiO2催化作用下可分解水產生氫氣。2007年港大機械工程系發表論文 (A review and recent developments in photocatalytic water-splitting using TiO2 for hydrogen production)，進一步研究如何在常態和有經濟效益下從水獲取氫作能源。
以現今之先進納米技術，終有一天會實現大規模分解水為氫和氧，體驗水為用之不盡能源。
(B) 實現可控核聚合 (nuclear fusion) 為能源
(i) 熱核聚變和托卡馬克 (Tokamak) 科技
第一代熱核聚合 (thermonuclear fusion) 是把兩個同位素氫，在一定條件下，發生原子核互相聚合作用。重氫同位素之原子核，氘核子deuteron, 和氚核triton, 於極高溫作用下進行熱核聚合，產生氦核和中子。
這核轉變涉及 0.0188 amu 質量損失，或生成每一摩爾 釋放1.69 × 109 kJ。於極高溫度下才可以付予核子相當動能去克服撞擊時正電荷間之強引力。若核聚合 (就像發生於太陽內部一樣) 不受控制，結果便是引發一枚氫彈。直至現時，人們仍然不能有效利用核聚合去產生巨大民用能源。
現時，最有希望和可成熟熱核聚合工藝是利用巨大環形磁場 (toroid) 控制等離子體 (plasma，極高溫帶電荷物態，物質第4 態) ，稱作托卡馬克 (Tokamak)。俄語意思是一個用磁圈包着的環形艙。托卡馬克為一設施用極強磁場限制等離子體，形狀像一環形圓 (torus)。
(圖 258) 托卡馬克線圈內部橫截面圖
托卡馬克核心裝置為一甜甜圈形狀真空艙。艙內注入作為燃料之同位素氫氣體，整體加熱至超高溫 (1.5 至3 億 °C)，令氣體離子化，變為等離子體。這些粒子被加強能量至可克服帶正電荷核子間之強大電磁吸力，互相撞擊至聚合，同時釋放巨大能量 (圖258) 。
(圖259) ITER Tokamak 規格
1985年世界最大之托卡馬克反應設施，ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) 於法國興建。目標是於 2021年完成組裝 (圖 259)，於 2025年開始發電。ITER是世界各國分別合作之大計劃，參與國有歐盟、印度、中國、俄羅斯、日本、美國和南韓。可持續性挑戰並不正面。
各成員國分別興建自己之聚合反應堆。中國於2009年興建中等規模托卡馬克聚合反應堆HL-2M (圖 260)。設施可產生1.5億0C 等離子體和持續放電 10 秒，能量禁閉時間 (energy confinement time) 數百毫秒，稱作「人造太陽」。
(圖 260) 中國之 HL-2M 核聚合反應堆「人太陽」
(ii) 現時核分裂反應堆發電廠工藝
有效可控鈾核分裂燃料被廣泛應用於發電廠作清潔和可持續能源 (圖 261)。經過多年運行，核分裂發電廠工藝變得更加成熟，其效能和環保優勢遠遠高於傳統發電廠，好像是理想能源。不過，處理核廢料是個嚴重問題，所有放射性元素半衰期都非常年久，動輒上百萬年。核廢料要永久封存，不可以外露。雖然核電廠有非常嚴格操作安全措施，但出事風險永遠存在，不會百分百安全。核電廠失控事件歷史上屢有發生，洩漏危險輻射。極端情況就像引爆一枚原子彈。最嚴重一次是上世紀切爾諾貝爾 (Chernobyl) 核災難。
(圖261) 大亞灣核電廠
(iii) 冷核聚變
上述兩種工藝從核反應獲得能源都逃不開安全風險這大問題，不用說反應堆輸入/輸出效益。理想情況是室溫下安全地進行核聚合。上世紀八十年代，有科學家聲稱室溫下電解重水獲取「餘熱」，視作冷核聚變現象 (網上搜尋)。隨後，很多科學家重覆實驗，但都得不到預期效果。最後一致認為是一次「病態科學」事件(Pathological science)。追求冷核聚變並沒有消失，不過至今還没有實質進展。
很期望STEM於各領域不斷進展能一日實現冷核聚變，徹底解決能源問題。操作安全和結合環境之冷核聚變發電廠不啻為取代核裂變電廠和永不百分百安全核聚變電廠之完美選擇。
(C) 持續創新新型物料
(i) 石墨烯 (Graphene)/世紀綜合新物料
以下有關原子軌態 (atomic orbitals)、原子軌態雜化 (hybridization of atomic orbitals)、原子軌態重叠 (overlapping of orbitals)、s 鍵 (s bond) 和配對/未配對電子 (paired and unpaired electrons) 主題陳述並沒有納入DSE 化學科課程。但掌握它們之知識基礎對明白石墨烯導電原因十分重要。這節可視為有關碳石墨主題之延伸。陳述之主題可上網參閱。
石墨是碳元素之同素異形物 (allotrope)。石墨由六角形碳原子層片組成。一個2s 碳原子軌態和兩個2p碳原子軌態透過雜化數學處理 (不是化學反應)，每一雜化軌態有1 電子。每個雜化軌態都有一未配對電子。3個這樣雜化軌態互相重叠，產生3σ 鍵 (3 配對電子)，把碳原子以120o 二維地連接起來，形成一六角形碳原子層。碳原子層間以弱范德華引力聯繫一起 (圖 262)。沒有雜化之2p 原子軌態電子以自由電子存在 (圖 263)，令石墨導電和導熱。
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| (圖262) 兩石墨烯層以范德華引力聯繫一起 | (圖263) 兩石墨烯層側面圖 |
2004 年英國曼徹斯特大學兩位教授Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 成功用一個非常簡單方法 – 透明膠布，剝落一層石墨基質並以Raman 光譜儀辨認其性質 (圖 264)。單層石墨烯 (graphene) 擁有獨特特性。目前，全世界科學家們正努力地展開廣泛研究石墨烯和其衍生物料之影響深遠應用。兩位教授於 2010 年獲授予諾貝爾物理學獎。
(圖 264) 單層石墨烯
石墨烯獨特特性包括：(i) 極高硬度、(ii) 高黏性、(iii) 高延展性和柔韌性、(iv) 導電和導熱優於銀、(v) 高透明度、(vi) 低質量密度、(vii) 獨特導電和光學特性和 (viii) 高不滲透性。
石墨烯以不同類型存在，例如納米管、薄片、線、塗層等，其綜合建材有無限應用。石墨烯作為原料另一優點是石墨為碳之同素異形，完全可再生。近年，多國政府和跨國企業投放極多資源研發各種石墨烯應用，涵括民用和軍用領域。
* 各方面民用領域 (只引用主要應用)：
| (a) | 電子資研訊產品 已經預測石墨烯可取代硅作為微電子電路基質，研發出比硅作為電路基質更強的晶片。石墨烯綜合物料觸控屏幕比 LED或 OLED屏幕更優勝、更輕、更簿、更靈敏和可摺疊 (圖265 和 266).
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| (b) | 可期待之高溫商用超導物料 直至現時，只有特殊人造物料才可以在近零度 K 實現超導 (零電導電阻)，一般採用液態氦環境 (- 269 oC) 操作。科學家們不斷努力嘗試研發室温 (298 K) 超導物料，但一直沒有任何進展。2018 年，中國年輕物理學天才曹原 (Cao Yuan) 於世界科學領域權威性期刊「自然」發表文章顯示當兩層石墨烯以「奇妙夾角 1.1度」組合起來時會在 1.7 K環境下產生超導現象。隨著進一步研究顯示三層石墨烯有特別特性。可以想像不久將來商用石墨烯物料以高溫100 K (液態氧便可以，不用液態氦) 超導運行會面世。 | ||||
| (c) | 石墨烯物料鋰電池 石墨烯綜合物料鋰電池性能遠遠優勝過傳統鋰或Ni-Cd電池 (圖 267)。充電時間、充電/放電功率、存儲量、使用期限和回收表現都優勝過同期產品。
(圖267) 石墨烯物料鋰電池生產示意圖 | ||||
| (d) | 近乎完美綜合物料 石墨烯有助設計更輕、更快和更安全車輛和飛機。其近超導特性會是設計磁浮動車材料之主要考慮 (圖 268 和 269)。石墨烯在創新表面處理工藝佔有一重要位置，強化和激活物料特性。
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| (e) | 醫療儀器 預期有生物界面 (bio-interfacing) 傳感器技術研發，尤其是碳基質計算起始研究(圖 270)。一個我們較熟悉方面是醫療界之磁力共振造影 (MRI)。這技術需要極強大電流通過超導物料保持在極低溫 (液態氦 ~ -279 oC)。MRI儀器非常昂貴。若由超導石墨烯綜合物料造成之MRI儀器維持於高溫 (100 K而不是數K)，則費用可大大降低而擔得起。
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| (f) | 量子計算機 石墨烯綜合物料有望成為商用量子計算機晶片基質。現時 (0 1) 態電子邏輯閘計算機已邁向 7 nm、3nm 甚至 2nm 光刻工藝。當然，光刻技術是有底線的，最後一關要克服的是實時需要由 0 態轉為 1 態或1 態轉為 0 態，不可能是零秒，不用說存在已久之散熱問題。(0 1) 態電子邏輯閘計算原理基於二元布林表達式代數 (binary Boolean expression mathematics)，利用電磁波 (人工訊號) 為載體，以實質0 態 (0 V) 和 1 態 (5 V) 運算。 研發量子計算機有不同途徑，其中有用光子，不是電子，作為載體。數學基礎不是布林邏輯，因為量子計算其於慨率為0 態或1 態而不是實質實時 (0/1) 態。石墨烯之特殊電子和光學特性有望用於設計量子計算機原型。
(圖272) 石墨烯處理器會佔將來民用量子計算機市場一顯著位置 | ||||
| (g) | 石墨烯衍生物之潤濕性質 (wetting property) 和拉脹材料 (auxetic materials) 石墨烯有疏水特性。石墨烯氧化物 (Oxide of graphene，GO) 則呈親水性，但還原石墨烯氧化物 (Reduced oxide of graphene，RGO) 又呈疏水特性。以 GO為基質之DNA傳感器可提供快捷廉價 DNA測試。智慧衣服物料以 GO或 RGO為塗層亦據市場要求研發中。石墨烯綜合物料可以感應負NPR (Negative Poisson’s Ratio)。物料呈現此特性叫拉脹材料 (auxetic material) (圖273)。顧名思意，拉脹材料就是一種拉扯下膨脹之物料。石墨烯納米拉脹物料有創新應用，防爆軍械、避彈衣等是顯著例子。
(圖273) 防爆拉脹物料 |
* 軍事應用
因絕對保密，石墨烯於軍事用途是不會被揭露的。網上搜尋知悉石墨烯綜合物料有以下特性：(i) 極高電導、(ii) 超高硬度、(iii) 高黏性、(iv) 高柔軟性和 (v) 低質量密度。正研發航空母艦之電磁彈射器和電磁炮 (圖 274) 都應有石墨烯綜合物料的影子。
(圖274) 石墨烯綜合物料組裝航空母艦電磁彈射線性加速器示意圖
總而言之，重新發現石墨烯是21世紀最重要之創新物料發明。
(ii) 氟化石墨聚合物 (Flurographite polymer CFn)
(圖275) 二維層氟化石墨聚合物
不像CF4 四面體單體，-(CFx)-n 聚合物碳原子軌態sp3 雜化，互相連接成一2D皺摺層 (圖275)。碳原子軌態sp3 雜化四電子全部參與形成四 s 鍵。因此層與層之間只有弱范德華引力，方便層移動。 -(CFx)-n 聚合物是非常優勝潤滑劑。
鋰電池採用氟化石墨聚合物（Li- CFn）為正極可提供高儲電能量、寬工作溫度幅度和極穩定輸出電壓。
(iii) 準晶體 (Quasicrystal)
傳統晶體學定義晶體為晶胞 (unit cell) 3D 無限伸展成為整個空間之晶格 (lattice)。高中化學科課程通之常以原子層模型處理晶體架構。最密裝填原子層 (closed packed layers of atoms) 以abab…或abcabc…兩種叠加方式構成整個晶體 (DSE課程主題 XIV Material Chemistry)。大學晶體學課程則以密勒指数 (Miller index) 校授晶體架構。不論中學或大學課程，都一致確認晶體架構為粒子以有序 和重覆 模式伸展。這是傳統晶體學之「金科玉律」。
1984 年, Dan Shechtman 他的以色列IIT團隊急凍一鋁/錳合金成功研發出一種新型物料。其電子繞射組形 (electron diffraction pattern) 和傳統晶體之有序和重覆性不一橡。1997 年, 在東俄羅斯Khatyrka發現有天然隕石，其分子式為Al63Cu24Fe13 (二十面體，icosahedrite) 而其電子繞射組形和人工合成之準晶體相符 (圖 276)。
Quasicrystals: Prof. D. Shechtman
(圖276) 獨特5倍二十面體晶格電子繞射組形
2011 年Dan Shechtman 獲授予化學科諾貝獎。概括地說：「準晶體為一有序長程定向和缺乏移動對稱性之金屬相」。這種晶格模式 (圖 276) 界乎有序順列和無序模式，或稱作準晶體。準晶體被視為只可以於實驗室合成，不存在於大自然。直至尋找到天然礦物Al63Cu24Fe13，並顯示出準晶體晶格不被許可之五倍對稱現象 (five-fold symmetry，網上搜尋 rotational symmetry)，這發現暗中顛覆了整個深深牢固認識晶格為有序模式之概念。
準晶體晶格有序部份符合數學「斐波那契數列（Fibonacci sequence）」(網上搜尋：斐波那契數系列、兩個連續斐波那契數之比例、斐波那契數、黃金比例1.618033…、解二次方程式x2 – x – 1 = 0)。斐波那契數列由0 開始，跟着是 1，隨著之數字為前兩個之和。斐波那契數列：0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…。很多人類結構、建築、天然花朵等都呈現斐波那契數和黃金比例 (圖277, 278, 279, 280)。股票市場分析師以黃金比例 38.2% 檢視股票價值走向趨勢是否屬於市場整體或個別股票。
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| (圖 277) 向日葵斐 波那契螺旋 | (圖278) 女士是否漂亮和器官之黃金比例有關聯 | (圖279) 斐波那契螺旋梯級 | (圖280) 鋼琴13音鍵八度音階以斐波那契數例 2,3,5,8和 13排序 |
準晶體有特別屬性。準晶體超硬但又有伸縮性，異常地光滑。不像其他金屬，準晶體導電和導熱性都很低。科學家正尋求研發準晶體綜合物料商用和家用應用，例如新穎LED，易潔物料等。期望準晶體綜合物之抗高溫特性可用於航天器結構。
(iv) 隱身物料 (Stealth material)
長時間來，照相機鏡頭或眼鏡都塗上一透明塗層，目的是濾去反射波，只容許折射波進入鏡頭，感應傳感器 (或早期菲林)。原理不複雜 (溫習 課程 (1)，主題 11，第148頁)，涉及之藝相當先進。塗層厚度只有射入光波長之1/4。塗層表面反射波和塗層後面 (即鏡頭表面) 之反射波互相叠加 (數學詞彙是波函數相加)，產生低消性干擾 (destructive interference)，徹底毀滅兩反射波。消除反射波塗層 (圖 281) 稱作「四份一波長塗層」。
人類眼睛以看見東西是因為物件之反射波透過眼球視覺神經指示大腦告知物件之性質 (反射波波長)，光暗 (反射波波幅) 和大小 (反射波相位差)，(溫習課程 (1)，主題 6，第28頁)。若物件蓋上特别塗層不容許有反射波，那麼我便看不見物件，物件隱形了。不過，有一點對這種工藝特別致命，就是反射波之波長。舉個例：有人日間穿了這種衣服變得隱形，但用紅、綠或藍光照射就會現真身。
這類隱身工藝廣泛被用作軍事用途，作為微波雷達看不見之軍事武器。例如美軍之 F-22和F-35、中國之J-20和 J-31或戰艦。它們都有特定形狀和塗上吸收微波塗層，令它們在接受雷達屏幕上只顯示為小點。不過，已經指出，若用米波雷達來跟蹤，它們不會再隱形了。
(圖281) 反射波波幅低消性干擾導致毀滅
這類民用塗層物料可引致道德問題和訴訟。若有足夠監控機制，這類隱身物料之應用也是STEM一項成就。
(v) 3D打印度身訂造創新物料
傳統二維電腦打印機運作包括墨水、紙張、硬件和軟件。顧名思義，3D 打印機可打印出三維產品 (圖282) 。一如傳統打印機 ，3D 打印機需要特別硬件和軟件，而其「墨水」則是塑料、液體或粉狀原料。代替輸出文件或相片，3D 打印機改為輸出立體物件。
傳統打印機以行列掃描，而3D 打印機則以多層掃描。物件是以多次層沉澱造出來 (圖283) 。專業3D 打印是現時科技發展的流行趨向。
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| (圖 282) 商用 3D 打印機 | (圖 283) 多層3D 掃描 |
現在和將來3D 打印科技應用範疇：
| * | 軍事用途 戰機發動機零件、導彈、小型潛艇艇身、無人機、手槍等等 (圖 284， 285).
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| * | 工業行業 航天工業輕型部件原型、輕型內燃機機壳原型、飛機內部部件、汽車度身訂造座椅、機器零件、配件等。(圖 286， 287).
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| * | 醫療領域 近期創新醫療領域3D 打印應用四個主要方向：(i) 製造器官和類器官、(ii) 手術儀器、(iii) 專利手術模型和 (iv) 度身訂造義肢 (圖288， 289)。世界各國都投放大量資源於這專業範疇。
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| * | 建築行業領域 除了建築物的核心結構，很多建築組件都可以3D 打印成形。建造3D 打印有如下優點：快速量產、差不多沒有廢棄原料、高成本效益、支援創新設計等。打印頭為機器人擠壓機。鋼根、混凝土和 3D 多層打印預製組件造成各種形狀建築物。3D 建築打印是未來新生活方式 (圖290， 291) 。
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| * | 民用市場 小型3D 打印機於民用市場擁有重要位置，教育領域是其中佼佼者。單片機微型處理器 (Single chip microprocessor) 作為界面，連接 3D 打印機廣泛用於中學和大學推廣 STEM 教育。近期素食潮流興起，激發市場 3D 打印各款素食肉類 (圖 292， 293).
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法律問題
迅速發展之3D 打印技術引起可能冒犯法律規定問題。要點是透過3D 打印侵犯知識產權之發布，例如版權、專利、設計權、商標等。除了認知侵犯知識產權外， 3D 打印產品責任學說應該歸納入通識教育。
(vi) 創新包裝物料代替廣泛災難性不可降解塑料
| * | 大規模製造和採用不可降解塑料 廣泛採用塑料膠袋已做成全球性極嚴重生態破壞，這問題是目前急要解決的。現時，一般採用「4R」方法：回收 (recycle) 、減少 (reduce) 、重用 (reuse) 和替代 (replace) 。其他辦法如採用可降解塑料、可生物降解塑料和可製成堆肥塑料都得到推廣。但效果不顯著。深層次原因複雜，超出討論範疇。 理論上我們應放重心在生產塑料方面上而不是只關注它的用途和廢棄處理。生產少些塑料應該會是少些環境污染。不過有一點要注意：所有塑料生產原料都來自石油分餾衍生物。限制塑料生產當然會改善生態環境，但同時也打破石油生產平衡局面。石油分餾產品只有小量用於塑料生產，大部份是用於汽車汽油、飛機航油、船隻、熱能重油等。如實施這大計劃，肯定對原油消耗和市場價格做成衝擊。不過，限制塑料生產會引起塑膠價格上升，對環保這方面也是有好處的。除非再生能源有足覆蓋性而起減少消耗化石燃料作用，我們還沒有空間把定量減少原油生產從而減少塑料原料生產提上政策議程。 隨著齊格勒-納塔催化劑 (Ziegler-Natta catalyst) 工藝非常成功大量生產烯烴聚合物 (Karl Ziegler於1963年獲授予諾貝爾化學獎) (圖 294)，至2010年，全球整體由烯烴和有關催化劑生產之塑料、彈性體、橡膠等超過1億噸，代表全球不可降解塑料之最大産量商品。
(圖294) 乙烯Zr-催化劑聚合機制 當你出街購物完畢，你有沒有發覺帶家的東西有多少和塑料/或與塑料有關？可有一日完全零塑料收獲？ 塑膠產品真的如水銀泄地，無處不在。 現時採用之「4R」措施：「回收」(recycle)、「減少」(reduce)、「再用」(reuse) 和「代替」(replace) 效果不顯著。年度由不可降解塑料引起之生態環境破壞不降反升。 另一較具規模措施處理廢棄塑膠是用焚化方法。一般碳基聚合物主體為-CH2– s 鍵鏈。高溫能斷裂 -C-C- 或 -C-H- 共價鍵。焚化廢棄塑膠産生熱能，可供發電。可是，焚化廢棄塑膠產生極大空氣污染。討論是否建造焚化爐通常是個社區問題。 | ||||||||||||||||||||||
| * | 創新室溫固態亞穩水聚合物包裝物料 水分子結構 DSE 主題VI (Microscopic World II) 以價層電子對相斥學說 (Valence Shell Electron Pair Repulsion，VSEPR) 陳述水分子結構和氫鍵。用價鍵原子軌態雜化理論 (Valence Bond Hybridization of Atomic Orbital) 處理水分子結構 (參閱179頁) 有更好的鍵三維透視。
假設水分子之氧原子軌態以2s2p3 三維四雜化軌態。sp3雜化軌態立體幾何為每四個軌態指向對角簡單立方體 (圖296)。每兩雜化軌態安放一未配對電子而另每兩雜化軌態一配對電子。水分子通常以二維示意圖表達 (圖 295) 。水分子之電子全部配對 (兩孤電子對 + 兩 O-H σ 鍵電子對)，沒有自由電子，因此水分子不導電 神祕的氫鍵 氫鍵無處不在，人體也不例外。氫鍵發生在已經以共價鍵與其它原子鍵結合的氫原子與另一個原子之間（X-H…Y），通常發生氫鍵作用的氫原子兩邊的原子（X、Y）都是有一孤電子對之電負度較強的原子，如F、O、N等。一般涉及氫之共價鍵為單鍵共價鍵。但氫鍵可視為特別雙鍵共價鍵，結合兩原子之一單鍵共價鍵和一較弱之氫鍵。氫鍵鍵能以數十kJ mol-1為主 (例如O-H…O， 21 kJ mol-1)。也有人視氫鍵為一種三電子鍵。直至現今，科學家仍然對氫鍵未能建立一滿意定量解釋模型。 透過氫鍵締合水分子 氫鍵傳統被認為是一種分子間引力。但是，因為它的獨特性、覆蓋領域和最強之分子間引力，氫鍵被挑出為另類鍵。下表顯示各類鍵強度：
(圖 294) 各類鍵相對強度 數個水分子透過氫鍵締合起來形成鏈條或其他形狀 (圖298, 299)。氫鍵強度足以令水分子三維地串連起來，像離子鍵一樣。通常6-7水分子締合成聚合體，不停形成和分離。因此水分子為液體。
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(圖 300) 想像之水聚合物股鏈78
(D) 電力是否終極能源？
自18 世紀以來，人類知曉電能和懂得如何令電產生工作能力。直至今天，人們生活每一環節都和電力扯上關係。用一不太好措辭：「我們已經淪為電力奴隸100多年」。有否另一能源取代電力？
數百年來人類成功地利用電子作無盡各種各樣應用，從小至納米微型電子設備至大至太空站。雖然如此，直至最近，人們還不可以實時觀看粒子性質(9.11 x 10-31 Kg, -1.6 x 10-19C, 自旋 1/2) 存在之電子。最近，科學家用極短極強激光脈衝，稱作阿秒 (attosecond，10-18 s) 脈衝，第一次成功捕獲電子運動 (圖 301)。
(圖 301) 瑞典Lund大學用Velocity Map Imaging Spectrometer (VMIS) 以阿秒激光脈衝記錄電子動量時延函數之分佈圖
一般來說，兩類電流通過導電體，即 (i) 直流電 (Direct Current，DC，源於愛廸生 Edison) 和 (ii) 交流電 (Alternating Current，AC，源於尼古拉·特斯拉Nikola Tesla). DC 和 AC 電流都廣泛用於一切日常電器。
| * | 電力之宏觀應用 勞侖茲力(Lorenz force，electromagnetic force) 原理作動能之發動機以海量般應用於洗衣機、空調機、冰箱、升降機、汽油車、新能源車、電動車、電車等等。電力照明 (圖303) 也非常重要。現時主打創新領域如航天科技 (圖 304， 310)、可控熱核聚合反應堆 (圖307)、新穎物料、IT等都以電力為啟動平台。總之，當我們出家門活動時就會發現不是電力正在工作就是經過電力加工之物料。電力真的以無形或實質無處不在。
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| * | 電力之微觀應用 – 數字世界 以布林二元表達式為基礎之邏輯閘運算晶片革新了微電子生態環境。隨著時間過去，我們經歷了電訊一次翻天覆地的改變，從電纜固網至無線模擬1G、無線數字 2G、3G、4G和5G一連串急劇提升 (圖309)。所有電子數字設備的中心元件是邏輯閘晶片。智能手機不可少之系統單晶片 (System on a chip，SoC) 極具爭議性。瘋狂地下過億訂單7 nm EUV 光刻或小之SoC晶片導致市場呈現嚴重短缺。SoC 生產流程之樽頸位為極高精度由 ASML Holdings生產之EUV光刻機 (圖 308)。不幸地，沒有電力這款機器也開動不了。
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| * | 沒有電力的世界 金屬位於電化序 (electrochemical series) 鐵之上方要用電力從礦石提煉出來。「鐵器時代」大約處於 300至3000年前。18世紀時，最堅硬的金屬便是鐵，因電力還未發明。金屬如鋁、鋅或鈉等都要用電力提煉。没有電力，人們便要忽然回到18 世紀年代去生活。出門預期要步行，騎馬是一種奢侈。再沒有電飯煲，要用木柴燒飯。沒有自來水，用井取水。用蠟燭而不是 LED燈來照明。大型工業只有煉鐵之高爐 (圖 311，312) 。這都是鐵一般的現實，你喜歡嗎？我想環保先鋒會歡迎這一狀況，這正是挽救地球的方案，使它再有數世紀健康地成長。
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| * | 「電力時代」可能是終極之後「鐵器時代」 我們生活在後「鐵器時代」，電力是主要消費能力能源。所有人工製造東西起碼有一聯繫與電力有關。明顯地，沒有電力，我們便不可以保持我們的生活方式而這趨勢可見未來世紀也是如此。就算日後可控熱核聚合堆發電成功，輸出到終點用家仍是電力。電力是罩在我們頭上的無形穹頂，主宰人類一切活動。 |
(E) 「暗物質」( Dark Matter) 和其未來供人類利用之可行性
數十年來，科學家們都一直關注外太空不明物質和能量可否轉化為可用能量。
我們宇宙的組成為 5% 平常物質 (由原子組成之可見物質)、27%「暗物質」(圖 313) 和 68% 「暗能量」。後兩者構成全部質量 – 能量95%。人類對尋求能源的不朽追求令高深數學概念 (強互相作用，strong interaction) 和先進設計 (反應堆，reactor) 結合起來成功實現可控熱核聚合反應釋放巨大能量從而產生源源不絕之電力。如此的可能性只發生在平常物質豐盛之四維地球。人類可否用一如在地球常用能源開採法去利用超四維空間之「暗物質」？
(圖313) 哈勃太空望遠鏡 (Hubble Space Telescope) 整合從星系團Cl 0024+17捕獲之「幽靈」暗物質造影
要科學地解釋現象和尋求應，傳統方法是進行「理論跟隨實驗」步驟。若我們要揭開暗物質本質，也許也要用這一處理方法。標準模型 (Standard Model) 牽涉數學處理物質費密子 (Fermion) 和相互作用波色子 (Boson)，得出之理論可解釋地球平常物質本質，也可以實驗驗證。顯著例子就是實現可控熱核聚合反應堆，以極高溫等離子體克服氫核間之強互相作用，釋放巨大能量。不過，標準模型並不考慮外太空研究極期重要之引力場 (gravitational field)。於是科學家們着眼另一可數學處理外太空本質之理論。
經過半世紀熱烈研究和討論，弦理論 (String Theory) 被認為是最有希望能數學處理外太空物質 – 引力本質之解釋模型。至今，弦理論仍處理論領域，沒有人嘗試和實驗作任何耦合。人類能捕獲「暗物質」和進行實驗才是重中之重。現時 CERN (歐洲核子研究組織) 轄下之對撞機實驗或進行XENON 實驗都是針對平常物質，不是「暗物質」。可否做「暗物質」實驗不會是未來數代人可回答。
Where Did Dark Matter and Dark Energy Come From?
String Theory