如何採冬筍

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到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

• 採訪編輯｜廖英凱、美術編輯｜張語辰

顛覆你對「竹林」的認識

藝術文化視野的竹林，常享有簡練高潔的雅名。但就生態的觀點，中海拔森林中的「孟宗竹林」，卻是蠶食山林、劣化土壤的入侵外來種。而在杳無生機的月世界惡地，卻又有「刺竹林」肩負了改善土壤、為其他物種開疆拓土的重責大任。

亦俠亦盜

每一種生物，憑其外貌形態、生長歷程與生命特徵，在不同的文化中被賦予了獨特的文化意味。例如，竹子，在東亞文化圈中，象徵超然或正面的意涵。它是歲寒三友的要角，是花中四君子的一員，是日本「竹取物語」的發想起源，更是名校交通大學的象徵。

回歸於日常生活，竹子也一直是千百年來，人類生活中身兼多職的重要植物。作為建材，撐起了濕熱雨季的涼爽住宅；化做竹筏，承載了水鄉澤國的熙攘往來；憑藉工藝，以笙管笛簫之貌，譜寫出文化的世代交替；時至今日，蕨芽初長的竹筍，炊香後更是令人垂涎的佳餚。

不過，竹林的意涵與功能，不一定都是好的。透過生態學家之觀點——邱志郁團隊進行的竹林土壤學研究——揭露出不同竹林在生態中扮演的不同角色，例如：孟宗竹是劫掠資源的大盜，而刺竹則是營造希望的俠客。

大盜孟宗竹

孟宗竹，原產於中國大陸長江以南的溫帶地區，近百年前引進臺灣本島，適宜生長在氣候涼爽，海拔約 150-1600 公尺的中海拔地區，在臺灣以南投縣與嘉義縣種植最多。例如位於南投的「孟宗竹林古戰場」，是一片高聳入天的竹林，猶如電影「臥虎藏龍」裡的奇幻竹海。而孟宗竹的新生組織，就是我們常吃的竹筍，因採收季節的差異，而又有「冬筍」與「春筍」的不同稱呼。

然而，從生態的觀點來看，孟宗竹是個先天強勢的外來入侵物種，伴隨經濟誘因的人為操作，會逐漸蠶食摧毀森林。

孟宗竹具備「地下走莖」與生長快速的特色，能在地底下將竹林往外擴散蔓延，當竹筍從地下走莖伸出地表時，能迅速抽長生長，尋由林間的孔隙爭取獲致陽光的機會，若能達到既有林地的樹冠層高度，即已立於不敗之地。

孟宗竹林透過無孔不入的滲透本領，逐漸佔滿樹冠層的空隙，使日光難以照至地面，最終使得林木的幼苗因陽光不足而枯死，而既有林木也逐漸因自然老化而減少，使得森林衰退而被竹林取代。

除了先天生長快速和往外蔓延的本領，竹葉亦含有抑制其他植物生長的酚酸物質，也助長其生長優勢。此外，孟宗竹及其竹筍的經濟價值，也促使部分農人刻意損傷竹林邊緣的樹木，更加助長竹林生長擴張，以增加採收竹筍的機會。

孟宗竹林的擴張，除了侵略原有森林的空間，而使得生物多樣性降低以外，孟宗竹林的侵入，也會影響該地「土壤性質」的變化。

除了有機物總含量減少以外，孟宗竹林也會改變土壤中不同性質有機物的組成比例。相比起杉木林與過渡帶，孟宗竹林中的易分解有機物比例明顯較高，透過核磁共振、光譜分析與化學酸水解定量等技術，證實有機物比例的改變，源自於竹林的枯枝落葉與杉木林枝葉的成分差異。

枯落物的組成差異，造成土壤有機物組成結構改變。

竹林枯落物的成分，以易於分解的碳水化合物為主；但杉木林的枯落物，則含有不易分解的木質素、單寧、蠟質等物質。杉木林土壤中的有機物分解速度較慢，也具備較高比例的耐分解有機物，可維持土壤中腐植層組成的穩定性；相對而言，竹林只補充較少量的耐分解有機物，長久下來，土壤中耐分解有機物的成分會逐漸降低。

為了利用孟宗竹的經濟價值，人類經常砍伐竹林與採集竹筍，會連帶影響到竹林的土壤性質。因為砍伐竹林會直接帶走該塊土地的有機物；而採集竹筍因需翻動土壤，更會加速土壤有機物的分解，而使地力逐漸耗損。特別是耐分解性有機物，可以結合土壤礦物、形成穩定的團粒結構，而團粒結構之間的空隙，能使土壤具備保水、排水、透氣與蘊含養分的功能。孟宗竹林枯枝落葉只能貢獻較少的耐分解有機物，又加上人為頻繁翻動土壤，促進有機物分解，長期而言，耐分解有機物含量日漸減少，將造成土壤劣化。

因此，當土地長期被孟宗竹林佔據、並逐漸擴張時，會影響到森林健康且危及水土保持的機能。

除了觀察土壤性質，從微觀尺度來看微生物族群的組成，孟宗竹林土壤中的細菌多樣性高於杉木林。進一步分析微生物（包括細菌和真菌）族群結構，可發現孟宗竹林與過渡帶的微生物族群結構相似，但與杉木林截然不同，如下方兩張圖片所示。

雖然我們常認為自然界中生物多樣性越豐富越好，但對於森林土壤微生物的多樣性而言，則是不同的概念。

生態系的干擾和棲地破壞，會造成數量有限的高等動植物無法維持正常繁衍甚至滅絕，導致物種多樣性迅速減少。因為高等動植物原本數量就較為稀少，繁衍世代所需的時間也較長，當環境受到破壞時，個體數量遽減，可能導致滅絕，因此造成生物多樣性下降。

相對而言，孟宗竹林土壤微生物多樣性的增加，這現象主因是生態系被干擾，而改變微生物生存的環境壓力。例如，採收竹筍翻動土壤，會促進土壤有機物分解，釋放大量的養分。由於土壤中原本潛伏種類多樣、呈現休眠狀態的微生物，一旦環境中增加了大量養分，會促使各種微生物大量滋生。

原本個體數量稀少或維持休眠的微生物族群也被喚醒，爭相繁衍，引爆了微生物的多樣性。

如同城市汙水的微生物多樣性，會遠高於清澈溪水，但並不代表城市汙水的生態狀況較好。同樣地，當孟宗竹林土壤易分解的有機質變多，使環境壓力下降，就有利於微生物生長。

由此可見孟宗竹林的入侵，呈現表面繁榮的假象，實質不僅使土壤的品質劣化，更根本性地改變了整體生態。極為諷刺地，自古被文人雅士們歌頌志節的竹子，對森林生態系來說卻是個霸占掠奪資源、劣化土地的大盜。

義俠刺竹

忠義之士往往起於草莽之間。不若大盜般的孟宗竹，數百年來，「刺竹」則肩負起了保衛家園的任務，最近的研究更發現刺竹林有改善惡地土壤的生態功效。

刺竹，原產於中國大陸東南各省，數百年前隨漢人移居臺灣而被引入，普遍栽植於臺灣各地低海拔平地與丘陵。刺竹耐貧瘠、乾旱、水浸與強風，種植後可用來固定河堤，防止土壤被沖刷流失。又因竹桿基部密集且具備帶刺的枝條，構成類似鐵絲網的防衛功能，因此也常被先民種植於聚落四周當作圍籬，以抵抗盜賊與猛獸的侵擾。

日據時期，刺竹被引進種植於台南左鎮、龍崎與高雄田寮一帶，俗稱「月世界」的惡地。此類地形是由海底沉積的泥岩所構成，土壤質地緻密。隨板塊運動隆起浮出海面後，因質地黏重，使乾季時土壤堅硬而雨季濕滑；另因土壤間缺乏孔隙，難以洗去鹽分，呈現高鹽鹼性，不適合植物生長。

月世界的土壤缺乏孔隙，使得土壤排水性極差，下雨時因雨水無法向下滲透底層，而產生地表逕流沖蝕表土，最終形成了裸露崎嶇地貌。

然而，在這樣的惡劣環境，刺竹是少數能在惡地存續的優勢物種，特別是在較潮溼的北向坡，更可看到蔚然成林的刺竹林。

此外，透過有機物的累積和根部的延伸穿透，刺竹林也能增加惡地的土壤孔隙，使土壤保水能力增加，同時排水性質也變好，有助於洗去鹽類，並降低土壤的 pH 值。使惡地的土壤條件改善，而在未來能有利於其他植物的生存。

進一步分析土壤中的微生物族群結構，由於不同微生物物種的細胞膜的磷脂質脂肪酸組成種類與比例皆有差異，藉由此特性，利用氣相層析質譜儀 （GC-MS） 可判定土壤微生物的族群結構。結合統計上的主成分分析，可發現裸露地與刺竹林，呈現截然兩群不同的微生物群體。

再以 DNA 定序技術分析惡地的細菌種類，如下圖所示，裸露地土壤中「放線菌」與「 γ 變形菌」比例明顯較高，但細菌物種數量較少。而刺竹林中「酸桿菌」與「 α 變形菌」的比例則大幅提升。酸桿菌較適宜 pH 值較低的環境，是森林中的常見菌種，在裸露地則不存在。

刺竹林土壤中的細菌物種數量大幅增加，顯見刺竹林的生長，能改變土壤中的微生物族群結構，並增加微生物的多樣性。與前述孟宗竹林土壤微生物多樣性升高的概念相似之處，在於養分的供應和釋放；差異之處，在於刺竹林貢獻了彌足珍貴的有機物，得以讓瘠劣的月世界惡地土壤綻放生機；而孟宗竹林則是驕奢無度，揮霍原先樹林積累的資產。

相較於裸露地土壤貧乏的微生物多樣性，刺竹林中土壤微生物族群的增加與改變，亦有助於改善土壤物理化學性質，進而為未來其他植物的生長與生態演替，營造出有利的條件。

在萬物俱廢、生機凋零的月世界惡地，唯獨一身荊棘、生人勿近的刺竹林，以先驅者的角色在此綿延，更為後續演替的物種，奠基得以存續的立地條件。對比孟宗竹林侵占繁盛的森林，卻又揮霍剝奪土壤的有機質；刺竹林則是進駐凋敝殘破的惡地，貢獻極度欠缺的有機物。

孟宗竹林與刺竹林相比，儼然是生態系的地痞與俠客。

隨著分子生物學、細胞膜磷脂質成分分析、 DNA 鑑定等科學研究方法的建立與完備，研究團隊已能更有效率地理解自然現象，並建立解釋生態現象的理論。除了看透不同竹林的亦俠亦盜，目前也用於理解原始和次生林，以及紅樹林與水田土壤中的生命現象。

透過生態學家之觀點，讓我們能運籌帷幄於實驗室之中，決戰千里之外的山林惡地之巔。而研究也不只是發表於論文，邱志郁將竹筍在土壤中沉潛蓄勢待發的生態習性，隱喻為下方這首詩，融合對意中人的思慕，與期勉學子立定標竿、堅持不懈的心思。

延伸閱讀

• 邱志郁的個人網頁
• 〈綠逸詩情：竹林〉，作者：邱志郁
• 〈刺竹林明顯改善惡地土壤品質〉，作者：邱志郁
• 〈孟宗竹入侵杉木林促進土壤劣化〉，作者：邱志郁
• 〈雨中竹──三部曲〉，作者：邱志郁。《秋水詩刊》第 154 期，2012.7Lin, Y.T., Whtman, W.B., Coleman, D.C., Shiau, Y.J., Jien, S.H. and Chiu, C.Y.*, 2018, “The influences of thorny bamboo growth on the bacterial community in badland soils of southwestern Taiwan”, Land Degradation & Development, 29(8), 2728-2738.
• Shiau, Y.-J., Wang, H.-C., Chen, T.-H., Jien, S.-H., Tian, G., and Chiu, C.-Y.*, 2017, “Improvement in the biochemical and chemical properties of badland soils by thorny bamboo”, Scientific Reports, 7, 40561.
• Wang, H.C., Tian, G., and Chiu, C.Y.* , 2016, “Invasion of moso bamboo into a Japanese cedar plantation affects the chemical composition and humification of soil organic matter. ”, Scientific Reports, 6, 32211.
• Chang, E.H. and Chiu C.Y.* , 2015, “Changes in soil microbial community structure and activity in a cedar plantation invaded by moso bamboo ”, Applied Soil Ecology, 91, 1-7.
• Lin, Y.T., Tang, S.L., Pa, C.W., Whtman, W.B., Coleman, D.C. and Chiu C.Y. * 2014, “Changes in the soil bacterial communities in a cedar plantation invaded by moso bamboo”, Microb. Ecol. , 67, 421-429

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位