海邊的海浪或是下雨的水面可以看到很多小泡泡，這些小泡泡其實也有故事可以說…
以前就知道泡泡的一個有趣的現象，就是當水面泡泡破滅的同時，會發生像水滴滴入水的類似反應–會有小水珠在泡泡破滅的中心上向彈射，有人就推測當這樣彈出的小水滴如果夠小時，就可以變成大氣中浮游的粒子，當大氣中有很多這樣的粒子之後，就會開始影響大氣的反射，造成氣候的效應等。
這影片以慢動作呈現出水面泡泡破滅的過程，可看見其實也有很多次級的小泡泡產生。在影片一開始的大泡泡破了以後，因為塌下的水膜會包住空氣，然後會產生一圈小泡泡，而這些小泡泡破滅的同時，就會向上射出更小的水滴。研究人員推測大泡泡可以產生小泡泡，然後小泡泡射出小水滴，這樣過程可以大大放大泡泡破滅產生水滴的過程。
這樣的過程雖然不確定是否重要，不過或許可以讓泡泡跟大氣中浮游水滴濃度的推論多增加一點可信度。
本文原發表於科學影像Scimage
本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。
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？
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。
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：
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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由德、日鑑識專家組成的研究團隊，於 2021 年的《國際法醫期刊》（International Journal of Legal Medicine）上，說他們採用網路流傳的偽裸照修圖技巧，設計出比較不嚇人的「泡泡認屍法」（the “bubbling” procedure）。然後順帶奉上一張照片，以時任德國總理的梅克爾（Angela D. Merkel）女士，作為範例。[1]
某些命案發生後，家屬必須前往停屍間，或是透過照片指認死者身份。屍體可能事先經過重建或防腐處理，並且在法醫動刀解剖前進行。最好未卸妝，也不取下首飾，完整保留生前的打扮。儘管這個鑑識程序有時的確無法避免，但是其失誤率高達 50%，而且會造成家屬的心理衝擊。若是遇到不知該找誰認領的無名屍，媒體還得四處散佈照片，觸及的人數勢必更多。研究團隊於是以移除創傷影像為目的，開發新的認屍方式。[1]
假設這裡有個電子圖檔，畫面上主角穿著泳裝之類的清涼衣著。首先，以常見的影像編輯軟體，例如： Photoshop、Paintshop 或 GIMP，開啟檔案。接著，用圓圈框選髮膚暴露處，並刪除衣物等剩餘區塊，就會得到一張狀似被泡泡網覆蓋的照片。此時，觀者會因為知覺填補（perceptual filling-in）機制，無視消失的部份，自動把影像腦補成裸照。根據該論文的說法，上述居心不良的修圖技巧，在網路論壇上相當風行。且不論研究團隊平常都在逛什麼網站，而如此熟悉這種不入流的勾當；他們想說的是，同樣的招數可以輔助認屍。[1]
現在把編輯的影像主角，從活人改為死者。先用大泡泡選取無創傷的廣大面積，再以小泡泡保存細節，並塗去其他部位。過程中，盡可能留下眼、鼻、耳和髮線等特徵。等能蓋的都蓋掉了，如果剩餘的區域，有屍斑、瘀青、腐化等情形，看了還是怵目驚心，那就降低整體畫面的彩度，或者套用灰階效果。[1]
為了瞭解辨識的準確度，研究團隊在德國洪堡（Homburg）及匈牙利布達佩斯（Budapest），分別招募 38 與 15 名學生。請這些為數不多的受試者，指認經過「泡泡」處理的 10 張照片。裏頭可能出現的名人，包括：德國的球星 Lothar Matthäus、主持人 Inka Bause、超模 Heidi Klum 和政治人物 Frauke Petry；歐盟執委會主席 Ursula von der Leyen、匈牙利總理 Viktor Orbán、瑞典環保倡議人士 Greta Thunberg、教宗方濟各；以及演藝明星李小龍、Tom Cruise 與 Rihanna。另外，學生認識的教師跟絕對沒見過的陌生人，也各有一張，作為對照。全部辨識完後，受試者會看到沒有「泡泡」的版本，確定是否真的不知道某人。[1]
實驗結果顯示，這些學生認得 72.1% 的人物；而其中 66.8% 的照片，蓋上「泡泡」後，依然能被準確指認。研究團隊頗滿意此成功率，並覺得這個方法簡單、經濟又快速。不過，死者的臉部創傷若是太大，就不適合以「泡泡」遮掩，畢竟觀者腦補的能力有其極限。在那種情況下，他們建議改採臉部重建等其他繪圖技術。[1]
在火山口的岩漿中、在玻璃工廠的熔爐中，也在居家裝潢的油漆桶中。液體表面的泡泡隨處可見，如果以上都沒見過（編按：到底有多少人會親眼看過火山岩漿啦！）那總該玩過吹泡泡遊戲吧，那你有想過為什麼泡泡會破掉嗎？
過去科學家認為，泡泡會塌陷主要因素是「重力」，但最新一期《科學》（Science）期刊上有篇研究指出，我們多年來對這些現象的解釋其實並不正確，其實「表面張力」才是主要原因。
當水面的泡泡破裂，泡泡薄膜的形狀還來不及有任何改變，便已經被兇猛的表面張力拉回水面下，整個過程只需幾毫秒。不過濃稠（黏滯係數高）的泡泡可不一樣，光是破裂可以花費整整 1 秒鐘，過程中還出現奇特的皺褶。
上方動畫中濃稠泡泡是用矽油吹製，其黏滯係數是水的一百萬倍。當泡泡上方被刺破，整顆泡泡像是洩了氣一樣向下塌陷，而破洞的大小卻幾乎維持不變。這項觀察讓過去的物理學家認為，主宰塌陷過程的是向下的地球重力。
不過這個結論讓波士頓大學的工程學家詹姆士柏德（James Bird）十分不滿意。為什麼重力只對黏稠的液體才算重要呢？然而用理論打嘴砲誰都會，要在實驗上做出結果來才算數。為此，他設計出了絕妙的驗證方法：把重力倒過來。
矽油的黏稠度夠高，讓實驗團隊能夠把整個容器倒過來，並進行同樣的戳泡泡實驗。如果泡泡塌陷真的是因為被重力向下拉，那麼將重力方向倒過來應該會讓泡泡塌陷的較慢。
可是錄影結果和原本泡泡破裂的過程十分相似：頂端的破洞慢慢打開，泡泡快速向液體表面塌陷。接著，實驗團隊還讓裝置轉了90度，讓重力向泡泡的側邊拉。不論重力指向哪個方向，影像分析的結果都沒有顯著的差異，這表示主宰塌陷過程的並非重力。
原版的重力向下實驗在 20 幾年前就有人做過。「那時候會認為重力是主因其實也情有可原，因為泡泡薄膜被戳破時看起來就像是在下落。」論文的共同作者亞歷山卓奧拉蒂斯（Alexandros Oratis）說道。不過進一步的計算顯示，對一顆直徑 1 公分的泡泡來說，作用在薄膜上的表面張力比重力大了幾十倍，而他們的實驗也證實了這個結果。
表面張力顧名思義，就是隨時想要讓液體表面繃緊；也就是說，讓液體表面盡量保持在平整的狀態。當泡泡在液體表面形成，表面張力想要將凸起的泡泡薄膜向下拉，這時泡泡內外的氣壓差便負責平衡這股向下的力。如果我們戳破泡泡，造成內外的氣壓相同，泡泡薄膜便向下塌陷。
不過如果表面張力這麼強大，那麼泡泡塌陷的後期為什麼會出現這些皺褶呢？
比起完好的半球狀泡泡，破掉的扁塌泡泡表面積較小。當表面張力快速的將破掉的薄膜往下拉，接近周圍的薄膜受到強烈的壓縮力。如果壓縮力夠大，凌駕了想要把液面拉平的表面張力，便會出現表面的皺褶。小小的泡泡能展現出這麼美麗的物理現象，原來是背後諸多力量相互較勁的綜合結果。
這份研究用「顛覆性」的實驗方法，打破了舊有的認知，登上了《科學》期刊的封面。再度顯示科學家最重要的維生工具不是紙筆或試管，而是源源不絕的好奇心與想像力。
