本文轉載自顯微觀點

「毛髮打結」的影像看似平凡無奇，卻不僅呈現自然界隱微的結構，還蘊藏著對生命深刻的敬意。憑藉著這幅作品，格爾德．岡特（Gerd Günther）更從全球顯微攝影大賽（2024 Global Image of the Year，IOTY）中脫穎而出，榮獲材料科學優勝獎。

令人驚嘆的是，獲獎者岡特的本業並非科學家或攝影師，而是一位農場主人，顯微攝影只是他「業餘」的愛好。

岡特於1958年出生於德國杜塞道夫；中學畢業後，於哥廷根大學學習農業科學，並從1986年後一直在杜塞道夫以自耕農為業。

好奇的種子在顯微鏡下發芽

1970 年代，岡特中學期間，受到學校老師啟發開始接觸顯微攝影，讓他對這陌生又熟悉的結構產生濃厚興趣。當時岡特使用黑白底片，留下顯微攝影最初的記憶。直到 2000 年左右，數位時代來臨、數位相機系統問世，顯微攝影門檻下降，他才開始專注於顯微攝影的創作。

「……仔細觀察自然界中常見的事物，可以發現意想不到的特質，令人心生敬畏……我的目標是將普通的課本知識提升到知識認知和理解的層面，使欣賞成為一種享受。 」－《一粒沙中：探索大自然的設計》，安德烈亞斯‧費寧格（A. Feininger，1986）

這句費寧格的話醒目地呈現在岡特架設的顯微攝影作品網站中，宛如一盞明指引創作方向的明燈，點明岡特攝影的核心理念。也透露出他的攝影品大多出自於對自然的敬畏以及日常平凡細節的好奇心，讓科學變得富有美感與哲理。

「你只需走出家門，就能進入微觀世界」，岡特認為顯微攝影最吸引人之處在於，不需長途跋涉，就能不斷發現新的結構、形狀、生命形態和色彩。而驅動他持續探索微觀世界的動力，是對大自然無盡的好奇，以及對迷人卻隱而不現寶藏的嚮往。

因此，從植物的葉脈到昆蟲的鱗片、從肥皂泡泡到礦物晶體，都是他顯微鏡捕捉的影像。為了呈現更完美的影像，他也會在閒暇時，利用各種DIY小工具改良拍攝流程，讓作品兼具科學性與美感。

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連結萬物平等的生命之結

2024全球顯微攝影大賽的獲獎作品《馬鬃與人髮之結》則是岡特探索微觀世界精神的最佳表現。

這幅作品將馬鬃與人髮精心打結後(縱向人髮、橫向馬鬃），以明視野方式進行拍攝。透過150倍放大的視野，觀者得以清晰地看見兩種毛髮的粗細差異，但無論是人髮還是馬鬃，其外層覆蓋著如同魚鱗般的角蛋白鱗片，結構幾乎別無二致。

評審團盛讚這副影像是「視覺上極具感染力的證明：生命的共通性遠比差異更顯著。」

「我每天都與馬打交道，我對人髮和馬鬃在強度和外觀上的差異很感興趣」，岡特提到要創造出這幅看似簡單的作品，過程其實非常困難：要將兩根細小的毛髮打結並固定在顯微鏡下，需要極高的耐心與精細技巧。他嘗試了無數次，才終於拍到滿意的影像。

對岡特而言，這件不僅包含紀實元素也蘊含情感的作品，除了象徵人類與動物之間的友誼外，人髮與馬鬃在結構上的相似性，也提醒我們所有哺乳動物，乃至所有生物之間的聯繫，遠比我們想像的緊密許多。也因此，應該對地球上所有生物都給予同等的尊重。 岡特的生活依舊以農耕為主，但科學觀察以及對顯微世界藝術性的獨到見解，讓他經營的那片農場，不再只是農務勞作的場所，而是他日復一日汲取靈感的起點，也透過顯微鏡折射出他對自然的無盡好奇。

參考資料

• Focusing on What Ties Us Together—The 5th Annual Image of the Year Award Materials Science Winner
• Photography beyond the visible

延伸閱讀

• 動手造鏡、親手排圖 丹尼爾的微觀矽藻世界

本文轉載自顯微觀點

在古典科學觀念中，材料在物理學上的內含性質（intensive property）就如同它們的指紋，足以辨識材料成分的身分、本質，不會因材料大小、形狀而改變。但是 21 世紀的科學家卻發現，將材料剝離分解到無法更薄、僅剩 1 層原子厚的二維平面，竟會出現超導體、超流體、活躍強健的激子等奇特現象，與原本的物理性質大異其趣。

這種新興的「二維材料（2-dimensional materials）」物理不僅召喚著科學家的濃厚好奇心，也具備科技創新的潛力。要探究二維材料這些超越既有材料科學認知的神祕特性，就要從量子世界中的電子行為「能帶理論」談起。

決定材料性質的電子能帶

能帶理論（Energy Band Theory）是以高低不同的「能量帶」空間觀念，對晶體中的電子行為進行解讀：電子平時處於能量較低的價電子帶（亦稱價帶，covalence band）。此能帶的電子受到原子核束縛，不能自由運動，且許多電子塞滿其中，沒有流動空間，因此價帶中的電子不能導電。

若從外來光子獲得足夠能量，電子會躍升到傳導帶（亦稱導帶, conduction band），在此空間充沛的能帶，電子能夠自由移動，在外部電場的作用下形成電流、展現出導電性。

導帶、價帶之間的能量帶稱為「能隙（band gap）」，是電子無法停留的能帶位階，不同種類晶體的能隙大小不同，電子由價帶升往導帶的難易度因此相異。若價帶電子得到的外來能量並未超過能隙大小，就沒辦法升往導帶。

金屬晶體具有極小的能隙，某些金屬的導帶與價帶甚至重疊，因此電子可以輕易進入導帶，展現出良好導電性。而絕緣體的能隙極大，電子難以躍升到導帶，因此困在價帶，無法導電。半導體介於金屬與絕緣體之間，在適當的能量激發或能隙調整下，就能展現導電性，人類得以調控電訊號。

備受眾望的石墨烯，終究因為其沒有電子能隙、導電性過佳，難以成為實用的半導體材料。但是另一種二維材料：過渡金屬二硫族化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMD）卻展現出了可調控的導電性，讓半導體產業界的希望之火繼續燃燒，也為物理學界展開寬闊的未知境地。

未來的超級材料：TMD

TMD二維材料的大型原子之間具有原子核、電子的相互作用，產生一般材料罕見的超導特性與巨磁阻，成為具備高潛力的半導體材料。從上方觀察，TMD如石墨烯一般形成六角形晶格平面，但從側面看，會發現上下兩層硫族原子將金屬原子夾在中央，猶如一個原子三明治。

在TMD的原子三明治菜單上，二碲化鎢（WTe₂）、二硫化鉬（MoS₂）、二硫化鎢（WS₂）、二硒化鉬（MoSe₂）、二硒化鎢（WSe₂）等，都是極具潛力的二維層狀半導體材料。

這些潛力TMD與石墨烯相似的不僅是晶格排列模式，同時它們也具有強力的層內共價鍵與薄弱的層間凡德瓦力，這種力量分配讓它們更容易剝離成單層結構。相較之下，其他材料（例如純金屬）通常具備延伸共價鍵或金屬鍵，材料塊不容易層層剝落、難以形成單層二維材料。

TMD 單層分子平面成形之後，電子能帶結構會從原本的間接能隙轉變為直接能隙，使互相吸引的導帶電子與價帶電洞（即為激子）結合時直接放出光子。在間接能隙結構中，激子結合的能量會轉換為熱能，不利於能量或訊號傳輸。單層 TMD 的直接能隙則讓它們在光照之下，可以透過電子活動而激發出螢光，成為光致發光（photoluminescene）的良好材料。

矽或鍺等等電子元件常見材料，在二維狀態下依然保持間接能隙，能量會化為熱能，不會轉換為光。因此 TMD 二維材料取代傳統材料，成為產業界創新光電材料的希望所在。

透過顯微操作，科學家更利用 TMD 的層間凡德瓦力，將不同的 TMD 二維材料疊合、錯位，形成異質結構（Heterostructures），透過材料堆疊位置調整電子能帶，產生如超導體或莫特絕緣體等特殊物理現象。就像在玩奈米尺度的樂高積木，只是成果比樂高更令人驚奇。電子在異質結構中產生的新奇行動模式，有機會應用在量子計算、奈米元件等領域。

此外，TMD 二維材料本質上比石墨烯更加特殊之處，是其中的金屬原子質量較重，導致更強的電子自旋-軌道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）效應，於是 TMD 在 2 個電子能谷（Energy Valleys）中表現不同的電子特性，使科學家能夠操縱電子的「谷自由度」來進行訊號傳輸（類似1與0的二進位訊號）。

透過不同於傳統半導體的超導、絕緣、谷電子學性質，TMD 二維材料可以提供極快速、低耗能的訊號調控與傳導，在小於奈米的空間中，也能保持訊號精確。此外，由於激子的活動現象，二維材料也更有機會實現利用光子傳輸訊號的計算機元件。

在家裡研究量子物理

提及激子的研究方法，台灣大學人工低維量子材料物理實驗室（Quantum Physics of Artificial Low-dimensional Materials Lab, 又稱 QPALM 實驗室）主持人陳劭宇解釋，雖然量子力學被多數人視為難以捉摸的神秘領域，但製作二維材料的方法卻可以非常貼近日常生活。

陳劭宇說，「我們實驗室最常用來製作二維材料的工具，你一定也用過，就是有名的 Scotch Tape 法。」

Scotch Tape 法又稱機械剝離法（exfoliation）：使用膠帶黏住小塊材料，材塊對面再以膠帶黏貼，接著將兩側膠帶撕開，就會將材料一分為二。如此反覆黏撕，最後出現極為單薄的單層二維材料。這也是當年海姆（A. Geim）與諾沃蕭洛夫（S. Novoselov）將石墨塊製作成單層石墨烯、邁向 2010 年諾貝爾物理學獎的方法。陳劭宇團隊則更進一步，對各種材料塊採用不同的膠帶，以得到最佳的剝離效果。

若你在生活百貨結帳時遇見購買各式膠帶的顧客，除了封箱收納，他也可能是位準備動手研究量子物理的科學家。

得到單層材料之後，科學家透過顯微操作將其放上六方氮硼（h-BN）等基材，再加熱使膠帶與二維材料分離。材料與操作方法相當平易近人，卻可以結合顯微觀察、拉曼光譜等方法從中測得奇妙的量子物理現象。

陳劭宇回憶道，「這是可以自己『在家動手做』的物理研究，在 COVID-19 疫情嚴峻隔離的時候，我們輪班工作、不能持續待在實驗室。只好自己組裝一台顯微鏡，用不同的光線觀察二維材料，竟因此發現某些材料在特定顏色光照射下，才有辦法清晰觀測。」

這個發現雖然尚未發表，但也成為他的實驗秘技之一。而當時「在家動手做量子物理」的研究過程也錄製成影片，作為疫情期間透過網路推廣科學的素材。

在二維材料研究中，材料層數是最重要的數字，而光學顯微鏡就在材料層被剝離後，擔任檢驗的工具。陳劭宇說，不同的材料有各自適合的顯微觀察方式，從常見的穿透光、反射到微分干涉（DIC）顯微術都是他會採用的方法。

確認材料層數之後，便能以光、電與材料互動，或是疊合異質材料，並以顯微鏡或拉曼光譜儀觀測，針對觀測結果進行運算，實驗人員可以得知二維材料的激子束縛能、能量轉換、導電性等物理特質。

例如，因為二維材料的層間空間極小，因此受到激發的電子可能移動到相鄰的異質材料層，而其相應的電洞還停留在原本材料層，電子與電洞在不同材料層互相吸引，形成奇妙的跨層激子（interlayer excitons），產生新穎的電學、光學、磁學現象。

陳邵宇舉例，暗激子的超流體狀態就是其中一種神奇現象。他說，「超導體的節能來自於傳輸電荷時不耗能，而超流體則是粒子移動時不耗能。若能控制超流體狀態的激子，我們就能得到超級節能的元件。」

陳劭宇闡明，超流激子在理論上已被預測，但還沒有人在實驗中成功操縱這項性質。他表示，控制超流激子是物理學界共有的、也是他個人追求的遠大目標之一。二維材料中包含超流體、高效率光電轉換等特質，為未來科技開創了廣大的可能。在陳劭宇等物理學家的持續投入下，我們有機會親眼見到他們利用輕於鴻毛的二維材料，實現宏大的未來科技。

（更多深入淺出的二維材料知識，請看降維展開新宇宙：陳劭宇和激子物理）

參考資料

• Paylaga, N.T., Chou, CT., Lin, CC. et al. Monolayer indium selenide: an indirect bandgap material exhibits efficient brightening of dark excitons. npj 2D Mater Appl 8, 12 (2024).
• 二維量子半導體中的激子物理
• 二維材料：未來科技的新前沿

本文由 工研院 委託，泛科學企劃執行。

Hey，未來的千萬年薪人才！來一起深入了解那些正在改變我們生活的科技吧！工研院為你精心準備了三堂超有趣的線上課程：從探索醫學界的 PLGA 微米球技術，到揭秘半導體測試的幕後英雄 ATE，再到讓塑膠也能有身分證的創新方法。這不只是學習，更是一場與科技親密接觸的旅程！

第一門 材料檢測與模擬設計之原理與應用系列學習

精選課程：塑膠也有指紋？如何給塑膠「身分證」來驅動循環經濟，減緩地球暖化？你要知道的光譜分選技術－材料光譜分選技術

這堂課將探討如何透過光譜智慧分選技術，為塑膠材料賦予「身分證」，進而推動循環經濟並減緩地球暖化。塑膠標籤的設置主要是為了方便辨識材質，這對於廢塑膠的回收和再利用至關重要。不同號數的塑膠因其分子組成、結構和排列的差異而有不同的特性和應用領域。

在光譜智慧分選技術中，首先要理解電磁波的概念。電磁波是一種電場和磁場交互變化的波動現象，其不同波長可以用於不同的應用，如手機訊號、微波爐、家用遙控器、X 光攝影等。在塑膠分選中，光譜技術常用的波長範圍落在近紅外到遠紅外光的區域，即 1 微米到 300 微米。這些波段的電磁波能誘發塑膠分子振動，並吸收散射或入射的電磁波能量，從而造成光譜的變化。科學家利用這種振動光譜的變化來獲得塑膠分子的特徵光譜，從而開發出能辨識不同塑膠分子的技術。

舉例來說，最簡單的雙原子分子，如 C-H、O-H 等，會有特定的振動頻率。當結構更複雜的分子（如水分子）被電磁波誘發振動時，會產生更多的振動模式，每種模式對應不同的特徵光譜。塑膠由多種原子組成，因此其特徵振動光譜相當複雜，但這也使得每種塑膠具有獨特的光譜特徵，類似於條碼或指紋，可用於辨識不同類型的塑膠。

本集介紹的光譜技術主要聚焦於紅外線頻譜區段，其波長範圍在 900-2500 納米。在這一範圍內的紅外光能量正好能引起塑膠分子的振動，並在不同波長上產生吸收。透過紅外線感測裝置掃描塑膠分子，可以快速獲得塑膠的材質信息，這不僅有助於塑膠的分類和回收，也對環境保護和資源再利用具有重要意義。

第二門 半導體IC設計與檢測技術系列學習

精選課程：好的良率就是好的利率！考試交卷前都會再檢查、確認了，IC 生產才不會忘記你－半導體測試簡介

在這堂課中，我們將探討自動化測試機台（ATE）在半導體測試領域中的關鍵作用。自動化測試機台是一種專為測試集成電路（IC）而設計的設備，它可以大幅降低手動測試的人力需求，並減少測試成本。每種IC根據其規格，都需要特定的測試項目。針對這些項目，專門編寫的測試程式被用於自動化測試機台，以自動檢測和篩選出不合格的 IC。

不同種類的 IC 需要不同的測試機台。例如，數位 IC 需要使用專門的數位測試機台，而記憶體 IC 則需要使用演算法來進行測試。類比 IC 和混合訊號 IC 則涉及電性測試，因為它們不是像數位IC那樣僅依賴固定的 0 和 1。

隨著系統晶片（SoC）的出現，測試機台的複雜性也隨之增加。SoC 整合了數位、記憶體、混合訊號甚至 RF IC 於一個晶片中，因此其測試機台必須同時具備上述所有種類機台的功能。這種SoC測試系統非常昂貴，每台造價可能高達數千萬。

最近，模組化測試系統成為了一種趨勢。這種系統的主要特點是其靈活性，能夠根據不同類型的IC進行不同模組的組裝，以進行測試。例如，對於數位IC，可以使用數位模組；對於類比或混合訊號IC，則可以使用相應的類比測試模組，如示波器或任意波型產生器。對於RFIC，則可以插入RF模組，如VNA等網路分析儀。模組化測試系統通常基於PXIE或LXI這樣的系統，其中PXIE是基於PCIE的擴展，加入了與儀器相關的電路；而LXI則是在LAN基礎上加入儀器相關電路。

總結來說，自動化測試機台在提高半導體製造過程中的良率和效率方面發揮著不可或缺的作用。無論是傳統的ATE還是新興的模組化測試系統，它們都在確保IC品質和性能方面扮演著關鍵角色。

第三門：解密醫材醫藥產品開發攻略系列學習

精選課程：藥不💊隨便你～但少了「它」，藥就不能發揮最大功效！製劑的分類與開發

在這堂課中，我們將深入探討 PLGA 微米球技術及其在長效針劑開發中的重要性。PLGA，全稱為聚乳酸甘醇酸，是一種被廣泛應用於藥物釋放系統的生物相容性高分子材料。自 1989 年日本武田藥廠開發出第一款使用 PLGA 的產品 Lupron Depot® 以來，這種技術已被用於多種藥物的開發，涵蓋了小分子藥物和胜肽類藥物。

PLGA 的關鍵特性，包括乳酸與甘醇酸的比例、分子量及高分子末端基團，對藥物的釋放速率和持續時間有著顯著影響。在製程技術方面，溶劑揮發法和溶劑萃取法是兩種主要的製備方法，它們對於親水性和疏水性藥物的包覆都至關重要。這些製程不僅決定了微米球的形成，也影響著藥物在微米球內的分布和最終的藥物釋放行為。

此外，微米球製程的工藝還包括乳化、coacervation 過程、溫度、攪拌速度、微米球固化和乾燥速度等因素，這些都對藥物包覆效率、微米球的粒徑大小分佈及藥物在微米球中的分佈位置產生影響。而不同的製程設計往往會導致藥物釋放行為的顯著差異，這對從實驗室到試量產階段的轉換是一大挑戰。

在台灣，工研院在經濟部的支持下建立了一個無菌製劑試製工廠，該工廠配備了微米球製程設備、高壓均質機、in-line均質機、噴霧乾燥機等關鍵製程設備。這些設備不僅能夠支持微米球的生產，還包括了關鍵的分析儀器，如液相層析儀、氣相層析儀、微米/奈米粒徑分析儀等。工研院的團隊擁有豐富的特殊製劑開發經驗，能夠提供從製劑配方研發、分析方法開發、放大製程開發到客製化產線設計的全方位服務。這些資源和專業知識使得工研院能夠有效地支持新藥的臨床前開發和商業化進程。

總的來說，PLGA 微米球技術在藥物釋放系統的開發中扮演著關鍵角色。透過精確的材料選擇和製程控制，這項技術有望為醫藥界帶來更多創新和有效的長效針劑產品。

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