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製造第一個人工放射性元素──佛雷德里克·約里奧-居禮誕辰│科學史上的今天:3/19

張瑞棋_96
・2015/03/19 ・918字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

佛雷德里克與伊蓮娜,攝於 1935 年。圖/wikimedia

1935 年的諾貝爾獎頒獎典禮上,約里奧-居禮夫婦等著頒發給他們兩人的化學獎。佛雷德里克微笑望著妻子伊蓮娜 (Irène Joliot-Curie),心中感慨萬千。十年以前他還是居禮夫人的研究助理,姓氏仍是約里奧,而伊蓮娜──居禮夫人的長女──的姓氏仍是居禮。志趣相投也好,近水樓臺也罷,他們倆很快墜入愛河,並於第二年結婚,一起將姓氏改為約里奧-居禮。此舉更引來嘲笑他是攀龍附鳳的「駙馬」。而今獲得諾貝爾化學獎的肯定,應該可以讓那些人閉嘴了!

他們是在 1934 年用具有強烈放射性的釙所產生的 α 粒子轟擊一片鋁箔,結果產生具有放射性的同位素磷,也就是說他們製造了一個人工放射性元素!以往要作放射線研究,只能利用鈾、釙、鐳等困難取得的天然放射性元素,如今可以自己依不同需求隨時備製不同的放射性同位素,不但核子研究將會更迅速發展,在醫療用途上也會降低成本而造福更多人。此一「人工放射性」的價值普受肯定,因此他們才會這麼快在第二年就應邀來到瑞典。

司儀正在介紹諾貝爾物理獎的得主查德威克 (James Chadwick),佛雷德里克立即回過神來。唉,他們夫婦倆在 1932 年的實驗中轟出中子,卻誤以為是一種特殊的 γ 射線,查德威克聽了他們的報告後不以為然,進一步實驗後確認是中子才因而獲獎。他們就這麼眼睜睜的失去「中子發現者」的桂冠。

事實上,他們失之交臂的不只這一樁。早在安德森(Carl Anderson)於 1932 年公佈他在宇宙射線中發現正電子之前,他們夫婦倆就已經拍到正電子的軌跡,卻只當它是同樣帶正電的質子而未加留意。佛雷德里克打量周遭,揣測安德森何時會因為這項發現也來這裡領獎(結果安德森隔年 1936 年就得獎)。

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不過,這些遺憾都比不上他的良師與岳母居禮夫人就在去年病逝,來不及見到他與伊蓮娜得獎。她如果天上有知,一定會感到欣慰與光榮的。佛雷德里克再次轉頭迎向伊蓮娜的目光,從她的微笑知道他們倆想的是同一件事⋯⋯。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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原子彈的發明原理,從一個被說荒謬的假設開始(上)——《科學大師的失誤》
時報出版_96
・2021/05/01 ・2417字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

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  • 作者 / 楊建鄴

一個人在科學探索的道路上,走過彎路,犯過錯誤,並不是壞事,更不是什麼恥辱,要在實踐中勇於承認錯誤和改正錯誤。──愛因斯坦(Albert Einstein,1879−1955)

1914 年,第一次世界大戰爆發,哈恩被徵入伍,改換了身分,於是所有的研究工作都被迫中斷了。哈恩被派到哈伯那兒服役。1905 年,哈伯發明了將空氣中的氮合成氨的方法。我們知道,氨可以用來合成高效化肥,這一發明有極其重大的價值,為德國氮肥工業的興起作出了決定性貢獻。

1915 年年初,哈伯、哈恩與其他一些科學家被政府指令研究毒氣。哈伯是「毒氣計畫」的負責人。哈伯對哈恩說:「我們的任務是建立一支毒氣戰鬥特別部隊,我們要研製新的、殺傷力更大的毒氣。」

哈伯、哈恩與其他一些科學家被政府指令研究毒氣。圖/Pexels

哈恩聽了,嚇了一跳,不由倒抽一口涼氣。

接著,哈伯說了一堆大「道理」,這些「道理」在第二次世界大戰發明原子彈時,又被一些科學家再次利用。哈伯在第一次世界大戰期間對德國可說是建立了卓偉功勛,但在第二次世界大戰時,這位無比忠於德國政府的人,因為是猶太人,受到希特勒的迫害,不得不逃離德國,最後暴病身亡。

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第一次世界大戰結束後,哈恩和邁特納又在凱薩.威廉物理化學及電化學研究所,繼續已經中斷了四年多的合作研究。很快,他們發現了一種新元素,其原子序數是 91。他們給新元素取名為「鏷」(Pa)。接著,哈恩又做出了許多有價值的工作,因此他被認為是歐洲最權威的分析化學家,尤其在放射化學方面,更有著不同凡響的聲譽。

正在他學術上日見輝煌時,卻捲入了一場學術爭論之中。與他爭論的對手是很有威望的科學家,法國居禮夫人的大女兒伊雷娜–約里奧–居禮 (Irene Joliot-Curie,1897−1956)

伊雷娜–約里奧–居禮。圖/Wikipedia

事情的起因和過程,這兒只簡單地介紹一下。義大利物理學家費米用慢中子轟擊 92 號元素鈾時,以為得到了 93 號元素。由於科學家在自然界只見過 92 號元素,從來沒有人見過 92 號之後的元素,所以,如果費米真的得到了 93 號元素,那真是一個非常了不起的發現。

費米開始還比較小心,不敢說自己真的發現了 93 號元素,只是說「有可能發現」新元素。但後來由於沒有人懷疑他的結果,於是費米也開始相信自己是真的發現了 93 號元素。

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當時有一位叫伊達.諾達克 (Ida Norddack,1896−1978) 的德國女科學家曾經提出過批評。她在德國《應用化學》雜誌上發表了一封信,對費米提出了批評。在信中她寫道:現在費米還沒有把握說,中子撞擊了鈾以後反應的生成物是什麼,在這種情形下談論什麼「超鈾元素」是不合適的。

諾達克大膽假設,像原子量為 238 的鈾這樣的重原子核,當中子撞擊它時,它有可能分裂成幾大塊碎片,成為幾種比較輕的原子核。

諾達克的批評沒有受到費米和大家的重視,這有三個原因。一是諾達克不是很出名的科學家,刊登她的信的刊物也不是一流刊物。二是她的大膽假設,沒有任何人相信,因為中子的能量很小,「根本不可能」把堅固的原子核撞得分裂開來。舉個例子,一顆手槍子彈最多只能在牆上敲下幾塊碎片;如果說這顆子彈能把這座牆打倒,分裂成兩三大塊,恐怕你也不會相信的。三是哈恩同意了費米的意見,認為費米真的製出了超鈾元素;哈恩是公認的化學權威,這當然使費米相信自己對了。因此,費米拒絕了諾達克的意見。

諾達克與哈恩相識,哈恩也曾經關心過諾達克的研究。因此,在 1936 年一次見面時,諾達克向哈恩建議說:

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「哈恩教授,您是否可以在您講課中,或者在著作中,提到我對費米的批評?」

哈恩嚴肅地拒絕了,並且說:

「我不想使您成為人們的笑柄!您認為鈾核會分成幾塊大碎片,依我看,純粹是謬論!」

哈恩認為諾達克對於鈾核會分裂成幾塊大碎片的研究是謬論。圖/GIPHY

但過了兩年之後,哈恩自己卻證明了這個「謬論」是真理;而且在 8 年之後,哈恩還因為這個發現得了諾貝爾化學獎!世界上有一些事情就這麼奇怪!

正當哈恩否定了諾達克意見之後,法國著名的化學家伊雷娜卻指出,諾達克的意見很可能是對的。伊雷娜在實驗中發現,用中子撞擊鈾以後,在反應產物中找到了比鈾輕得多的產物,其原子量只有鈾的一半。如果伊雷娜的實驗是真的,那鈾原子核就真的被中子撞成兩大塊了!

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哈恩實驗室的工作人員都不相信伊雷娜的實驗結果,一些人嘲笑伊雷娜:

「伊雷娜還指望利用從她光榮的母親那兒學到一點化學知識,其實這早已經過時了。」

哈恩訓斥了說諷刺話的人,但他也不同意伊雷娜的意見。因此他以私人名義寫了一封信給伊雷娜,建議她更細緻地重做一次實驗。哈恩認為自己夠客氣的了,否則他會在刊物上提出批評,那伊雷娜就會出大醜了!

但是伊雷娜一點也不領哈恩的情,她在前一篇文章的基礎上,又發表了第二篇文章,進一步肯定了第一篇文章的結果。哈恩生氣了,覺得伊雷娜太不自量,竟然完全不聽一下他的善意勸告,一意孤行。他氣惱地對助手斯特拉斯曼(Fritz Strassman,1902−1980)說:

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「我不會再讀這位法國太太的文章!」

繼續閱讀:原子彈的發明原理,從一個被說荒謬的假設開始(下)

——本文摘自《科學大師的失誤》,2021年4月,時報出版。

時報出版_96
174 篇文章 ・ 34 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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沒有二分法,就沒辦法分類?把多樣性放在哪裡了?——《像科學家一樣思考》
商周出版_96
・2020/05/19 ・3195字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

  • 作者/史坦利.萊斯 (Stanley A. Rice);譯者/李延輝

月亮上,全部都是黑色和白色。晚上是晚上,白天是白天,沒有灰色地帶。但在地球上,因為大氣層分散了日光,所以會出現晨光與暮光的灰色陰影。地球具有多樣性,科學也在研究多樣性,上述只是幾乎無數種呈現方式中的第一種。

不是白天也不是黑夜的黃昏之時。圖/IMDb

但人類心靈並不是一直輕易就接受多樣性。人類心靈有二元偏見,我們看待事物非黑即白,但科學必須抗拒這種偏見,就像抗拒其他許多偏見一樣。

即使人類心靈並未以二元的方式看待世界,也會以分類的方式看待:即使現實往往包含連續體而非各自獨立的類別,我們仍喜歡將所有事物分類。二元思考是分類思考的兩類別子集合。想知道一些分類和連續思考的例子嗎?這就是本章涵蓋的內容。

分類思考就是只能分兩類?

或許人類偏向分類思考是因為我們是兩兩對稱的生物。我們有左右手、腳和很多其他東西,也有上和下、前和後。相較之下,水母就是放射對稱,它有前和後,但除此之外其他部分都從中心點放射而出對稱。假如水母可以思考,它可能會將世界看成充滿各種可能性,而不只是「這個」相對於「那個」。

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動物和人類祖先必須迅速決定是否該採取行動,例如是否要逃離老虎,是否要吃某種食物,這可能是我們演化出二元思考的原因。生死交關的決定往往是二元對立的,甚至對水母來說也是如此。

不是「這個」就是「那個」?圖/giphy

一方面,人類往往會將世界視為非黑即白,不是這個就是那個,非左即右,不是這裡就是那裡,非上即下,不是我們就是他們。另一方面(延續我二元對立的隱喻),我們也承認有許多多樣性無法納入分類思考的框架中。(世界上有兩種人:會將事物分類的人和不會將事物分類的人。)人類常常努力在分類思考和連續思考間取得平衡,但這是假設我們能將所有思考分類為分類或連續思考。

再者,二元對立也符合我們的公平感。記者就有強烈的偏見要「平衡雙方報導」,即使有兩方以上或其中一方顯然行事荒唐也是如此。

微世界中的多樣性

在科學家研究的物理、化學、生物和人類世界中,少有事物在分類上是絕對的。極少數二元對立的事物之一就是原子粒子的電荷。電子具有負電荷,而質子具有正電荷。但連電荷都是一種夸克的衍生特性,而夸克就構成了電子和質子粒子。其他事物無論是可分類或連續的,都以許多不同可能性的形式存在。

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元素符號都一樣,中子、電子數目不一樣

縱使元素符號相同,性質也有可能不同。圖/pixabay

以原子為例,「原子」一詞代表不可分割的事物。原子會分裂,但一旦發生分裂,原子就會喪失其特性,所以「它們」不可能分裂但仍維持原樣。

我們可能會認為所有的碳原子都很類似,全都屬於一種類別。但並不是這樣。它們的原子核都有六個質子。大多數也會有六個中子(使它們成為 12C 或碳-12)。但少數碳原子多了一個中子,重量更重(13C 或碳-13)。再更少數的碳原子多了兩個中子,原子核變得不穩定,因此具有放射性(14C 或碳-14)。不同元素的同位素具有相同數目的質子,但中子的數目不同。

同樣地,純粹的鐵原子具有 26 個質子和 26 個電子。但許多鐵原子已經失去了它們的電子。亞鐵離子失去了兩個電子,而三價鐵離子則失去了三個。這讓它們具有不同的電荷。同一元素的不同離子具有相同數目的質子,但電子數目則不同。因此,每一種元素組成的類型都不同。

拉著電子不放的氧,讓水分子也「黏」在一起

我們可能會想,在這些類別中,原子都很相似。但連這也不是完全正確,因為原子絕對不會獨立存在。

舉例來說,思考一下兩個氫原子和一個氧原子組成了水分子(H2O)。分子內的原子都自由分享它們的電子,但也不能說完全自由。氧分子就是出了名的渴求電子。在水分子內,自由移動的電子時間大多花在氧原子上,而較少花在出了名軟弱的氫原子上。

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氫鍵。圖/giphy

水分子具有一個中性電荷,電荷中共有 18 個質子和 18 個電子,但它有三極:兩個正氫極和一個負氧極。一個水分子的正極會吸引其他水分子的負極,讓水分子稍微黏在一起。

水分子的黏性是造成冰會漂浮的重要特性,也會使液態水最後煮沸前保留許多熱度,並在蒸散作用時透過植物將水往上拉,還有其他許多事物,少了這些事物,生命就不可能存在。

這些「氫鍵」也將 DNA 的股鏈結合在一起,強韌到足以保存分子完整性,但又寬鬆到足以讓各股鏈分解再重新聚集。(DNA 是細胞內儲存遺傳訊息的分子。為了讓這些資訊可以供細胞使用或是傳給下一代,股鏈必須能夠彼此分離,顯示出其隱藏的訊息。)因此,一個原子的特性取決於哪個或哪些其他的原子與其結合。

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壁虎不貼牆也能爬牆,也是原子搞的鬼?

一個原子或分子可以互相改變,甚至不必結合也可以做到。用個隱喻來說,一個分子的電子可以嚇跑其他鄰近分子的電子,造成電荷差異,讓分子可以互相吸引。

在哪種平面都能爬行的壁虎。圖/wikimedia

這種「凡得瓦力」(Van der Waals forces)也讓壁虎不用真的黏在牆上就可以爬上牆。2014 年,國防高等研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Administration, DARPA)宣布要發展壁虎裝,使用這樣的力量讓軍人可以爬牆,就算不像壁虎一樣輕而易舉,也可以勝過其他軍人。在每個原子的離子或同位素類別中,有一整個可能特性的連續體,這取決於其他可能與其結合的原子,甚至是那些恰好接近它的原子。

向左旋,向右旋,性質大不同!

許多分子可以以一種以上的構造存在,例如就像彼此的鏡像一樣。(這種分子只有兩種可能的鏡像,這可能是宇宙中除了電荷外,少數二元對立的性質之一。)這會造成很大的差異。

「左旋」的胺基酸組成的蛋白質讓我們維持生命,「右旋」的蛋白質則常有毒。左旋和右旋的胺基酸混合起來造成不穩定的蛋白質。因此,自然淘汰已經排除任何結合左旋和右旋型態的蛋白質。地球上的生命恰好是以左旋胺基酸開始,右旋胺基酸只好扮演壞人的角色。在火星的生命非線性死亡之前,火星上如果有蛋白質,或許就是由右旋胺基酸組成。

溫度也來參一咖

變化越來越多了。想一下有一堆同樣種類的分子,電荷和左右旋都沒有差異。分子集合在一起會具有特定溫度。溫度來自於移動的能量,或分子的動能。但沒有任何兩個分子具有一模一樣的動能。每個分子都有自已獨特的能量狀態,有些移動得多,有些移動得少。你可以把溫度想成是分子的平均動能,但這不是嚴格數學定義下的平均。

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溫度也會讓原子或分子帶來多樣的表現。圖/giphy

水一煮沸,平均動能就足以造成分子在液體中不再彼此黏合,自由地以氣態移動飛散。但早在水煮沸之前,許多水分子就已有足夠的能量可以蒸發。連冰都有一些水分子,可以進入氣態,以美麗的科學術語來說,這種過程稱為昇華,但這種例子很罕見。所以甚至連一杯水裡的水分子也有多樣性,而且是連續的多樣性。分子並不是屬於動能的類別。

可能存在的分子種類數目理論上是無窮無盡。在真實世界中,這並非無窮無盡,但當然也超越人類心靈所能理解的範圍,至少我無法理解。1976 年,我在有機化學拿了 C,後來每況愈下。

所以這就是多樣性、多樣性、多樣性,且常是連續而非可分類——而且我們還只是在講分子而已。

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——本文摘自泛科學 2020 年 5 月選書《像科學家一樣思考》,2020 年 4 月,商周出版

商周出版_96
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・2015/03/19 ・918字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

佛雷德里克與伊蓮娜,攝於 1935 年。圖/wikimedia

1935 年的諾貝爾獎頒獎典禮上,約里奧-居禮夫婦等著頒發給他們兩人的化學獎。佛雷德里克微笑望著妻子伊蓮娜 (Irène Joliot-Curie),心中感慨萬千。十年以前他還是居禮夫人的研究助理,姓氏仍是約里奧,而伊蓮娜──居禮夫人的長女──的姓氏仍是居禮。志趣相投也好,近水樓臺也罷,他們倆很快墜入愛河,並於第二年結婚,一起將姓氏改為約里奧-居禮。此舉更引來嘲笑他是攀龍附鳳的「駙馬」。而今獲得諾貝爾化學獎的肯定,應該可以讓那些人閉嘴了!

他們是在 1934 年用具有強烈放射性的釙所產生的 α 粒子轟擊一片鋁箔,結果產生具有放射性的同位素磷,也就是說他們製造了一個人工放射性元素!以往要作放射線研究,只能利用鈾、釙、鐳等困難取得的天然放射性元素,如今可以自己依不同需求隨時備製不同的放射性同位素,不但核子研究將會更迅速發展,在醫療用途上也會降低成本而造福更多人。此一「人工放射性」的價值普受肯定,因此他們才會這麼快在第二年就應邀來到瑞典。

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事實上,他們失之交臂的不只這一樁。早在安德森(Carl Anderson)於 1932 年公佈他在宇宙射線中發現正電子之前,他們夫婦倆就已經拍到正電子的軌跡,卻只當它是同樣帶正電的質子而未加留意。佛雷德里克打量周遭,揣測安德森何時會因為這項發現也來這裡領獎(結果安德森隔年 1936 年就得獎)。

不過,這些遺憾都比不上他的良師與岳母居禮夫人就在去年病逝,來不及見到他與伊蓮娜得獎。她如果天上有知,一定會感到欣慰與光榮的。佛雷德里克再次轉頭迎向伊蓮娜的目光,從她的微笑知道他們倆想的是同一件事⋯⋯。

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