歷史悠久的消毒水：次氯酸鈉的過去與今天

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜簡克志
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

降低碳排還不夠，奈米材料幫你直接減少二氧化碳！

氣候變遷問題日益嚴重，2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份，臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃，世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標，設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員，他的研究專長是奈米能源材料，我們將介紹一種複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），在太陽光照射下，此材料表面發生的氧化還原反應，會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料！

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳？根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據，2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸，而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下，每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤，相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油！

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」，人類活動排放的溫室氣體，已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去，碳排放量可預期將不斷上升，大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示，地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 ^{註 1}，否則將有不可逆的後果，例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此，世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標，並不是說都不排碳了，而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消，達到「淨零」的目標。

要達到淨零的目標，除了尋找與開發減碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下，如果可以像植物一樣，只要照太陽光，就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物，聽起來不錯吧？但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定，要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應？

我們可運用「陽光」與「光催化材料」（又稱光觸媒，photocatalyst），不僅可以減碳，還能產生有價值的碳氫化合物，是一種「一舉兩得」的方法！

光觸媒（光催化）材料是什麼？

在談到光催化材料之前，先複習一下「催化劑」這個概念，催化劑不參與化學反應，但是它讓原先不可能的化學反應變得可行！陳貴賢分享，這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山，經過九彎十八拐的北宜公路；但如今有了「雪山隧道」之後，就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外，催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色！在過去，農作物施肥只有天然氮肥可以使用，產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加，《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面，波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔，用來收集當肥料用的鳥糞。

到了近代，陳貴賢提到在 20 世紀初，德國科學家哈伯（Fritz Haber）透過催化劑，在高溫高壓的條件下，以鐵粉做為催化劑，讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能，人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥，農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」，顧名思義就是協助光化學反應的催化劑，但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於，其化學反應通常發生在固態的表面環境，目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料，你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」，例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能，其實就是照射足夠的光，讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸，這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構，且大幅增加反應的表面積，讓光催化反應更有效率。

陳貴賢：「一個高表面積的奈米粉末，它的表面積可能是薄膜的一萬倍，甚至於十萬倍。」

給你電子，還你原形！光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的？

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳，是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」，氧化反應會失去電子，還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），可以讓二氧化碳還原成甲醇（CH₃OH）和乙醛（CH₃CHO），這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下：

要持續減少二氧化碳，就要持續發生上述還原反應，持續供給電子。不過，我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面？這裡就開始涉及到半導體的核心問題：電子與電洞的產生、分離和傳輸。

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：ZnS／ZIS，是結合兩種奈米半導體材料，透過水熱法合成，將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上，形成 0D-2D 結構的 ZnS／ZIS 複合物，就像製作巧克力豆餅乾，不過要複雜得多。

既然 ZnS／ZIS 是半導體，當受到光照之後，原來的價帶（valence band）電子會被光激發成導帶（conduction band）電子，原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位，就是電洞。電子和電洞的遷移，就是半導體形成電流的原因，因此電子和電洞都稱為「載子」（charge carrier）。

還記得上面的還原反應嗎？

對光催化材料來說，為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇，必須獲得穩定的電子來源，材料內部要迅速補充電子到表面，因此：

照光產生的電荷載子數量越多越好；產生的電子和電洞要傾向分離，分得越遠越好；電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定，首先照光產生的載子要多，就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合，照光產生的電子和電洞很容易復合，一旦復合，等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好，可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS／ZIS 光催化材料，依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99，分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中，ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好，可以有效減少二氧化碳，產生最多的乙醛和甲醇（如下圖）。

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率，陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值（apparent quantum efficiency），用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量，產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後，ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%，量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍！

這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合，因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率，選擇兩種不同的半導體材料組合，讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞，並且把電子送到它該去的材料表面。

此外，使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」，以符合光催化反應的能量門檻，自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後，繼續往 ZIS 跑，光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面，還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快！控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發，陳貴賢提到：「材料低能階，然後光子進來後，把電子激發到高能階去做反應，太陽能電池也是這樣。但是呢，有時候沒那麼剛好，例如激發後的能階不夠高，雖然激發上去了，但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起，電子上去以後又下來，然後再吸收第二個光子上去，那就變得很高了，高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖，如下圖所示，電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發，變成自由電子，接著經過設計完善的材料介面，先降到較低的 ZIS 束縛區，受到第二次光子的激發，再次變成自由電子，跑到光催化材料的表面，和二氧化碳發生還原反應，將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

看看電子走過的路，如果向左歪著頭看，是不是就是一個 Z 字呢？科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」（Direct Z-scheme）。「直接」的意思是，電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程，不需要再經過一個中間地帶，降低電子和電洞復合的機會。

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料，電子可以不需要中間的「轉接站」，直接轉移到另一個材料上呢？這裡也有一個巧思：不同材料之間的「微應變」。

不同材料的晶體排列規律是不一樣的，當兩種材料接在一起時，接面處會發生「晶格不匹配」，也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是，如果我們可以控制微應變（Strain）的程度，就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置，微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能，進而形成一個內部電場，讓電子和電洞更能快速分離，提高光催化效率。

總之，陳貴賢團隊開發的這套材料組合，是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料，可做為未來量產光催化材料的研發設計參考，同時也是減碳的解方之一。

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示，目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域，他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸，有太陽能電池和熱電材料，同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料，以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展，因為在 2050 淨零排放之前，有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列，企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果、Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中，台積電為蘋果主要供應商，2020 年也加入 RE100，目前為臺灣再生能源的主要買家。

可以預見，將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求，而能夠減少二氧化碳的光催化材料，也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到，當前光催化材料還在基礎研究階段，目前的人工光合作用效率約 1%，接近大自然效率，而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上，方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調，未來效率提高之後，能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值，不僅轉化後的燃料可以賣錢，處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用，是一種前所未有的概念。

註解

1. 根據 IPCC 的資料，如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內，必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標，同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放，特別是甲烷。

雨後無月的冬夜，南澳的森林裡水氣氤氳。樹幹上參差交疊的扇狀物，正靜靜地散發冷白的幽光。^[1]近看每片直徑 20 到 40 公分左右，^[2]向外展開。若用相機去捕捉那毛骨悚然的氛圍，肉眼所見的白，則會在照片中變成詭譎的螢光綠。^[1]

這不是靈異現象，而是澳大利亞「鬼魅蘑菇」（ghost mushrooms；學名：Omphalotus nidiformis）與生俱來的特質。^{[1, 2]}

蘑菇發光的原理

鬼魅蘑菇體內，有一種叫做「乙烯基吡喃酮」（hispidin）的「螢光素」（luciferin），會在「螢光酵素」（luciferase）的催化下，與空氣中的氧氣結合，產生「氧化反應」。此時所形成的暫時性產物，具有極高的能量。在接下來的還原過程中，便會釋放出「生物光」（bioluminescence）。^{[3, 4]}

拍攝鬼魅蘑菇的技巧

鬼魅蘑菇盛產的六月，正值南半球的冬天。^[2]拍攝發光奇景最佳的戶外環境，必須不見月亮和其他任何的光害。^[1]換句話說，有志之士要在攝氏 4、5 度的夜晚，摸黑找蘑菇，架設相機與腳架，再耐心地以慢速快門曝光。（給對專業攝影有興趣的讀者參考：墨爾本大學Paul Whitington副教授某次成功的拍攝數值，為 ISO 800，F/2.8，曝光 216 秒。）^[3]

生物光的顏色

鬼魅蘑菇發出 530nm 的光線，理應呈現綠色，跟相機拍到的一樣。肉眼所見卻非如此，是因為眼睛裡唯有超級敏感的「視桿細胞」（rod photoreceptors），能接收到微弱的生物光。偏偏視桿細胞不長在視網膜的正中央…^[3]

所以，如果哪天真有機會親眼目睹，請千萬別「正視」鬼魅蘑菇的存在，反而得用眼角餘光「偷瞄」它，^[3]才會有較精確的體驗。

生物光的功能

無論顏色如何，鬼魅蘑菇的外表，對遊客來說，都稱得上賞心悅目。然而，它們原本發出生物光的目的，應該不是為了討好人類。曾有科學家假設它和巴西螢光蘑菇 Neonothopanus gardneri 一樣，透過在夜間發光，吸引昆蟲來協助散播孢子。可是 2016 年的一篇期刊論文，指出鬼魅蘑菇整日不熄燈，卻也沒因此拐到比較多的昆蟲。研究團隊於是認為鬼魅蘑菇的生物光，僅是代謝過程中的意外產物。^{[2, 3]}

發光蕈類的歷史

根據化石資料推估，世界上第一株發出生物光的蕈類，出現在 1.6 億年前的侏羅紀。^[5]遲至公元前 4 世紀，亞里斯多德（Aristotle，384 – 322 BC）才寫下人類史上，關於生物光最早的文字紀錄，描述一根腐木（上面的蕈類），散發有別於火焰的光芒。^{[1, 6]}17 世紀時，德國植物學家Georg Eberhard Rumphius（1627‐1702），隨荷蘭東印度公司派駐印尼。^[7]他在《安汶島植物名彙》（Herbarium Amboinense）中，提到當地人手持泛著藍光的蘑菇當燈籠。^[6]不過，生物光其實在深海生物身上較為常見；相對地，目前所知的 15 萬種蕈類裡，僅有 70 幾種能發光，^{[2, 8]}而鬼魅蘑菇的分佈又只限於澳大利亞的南澳和塔斯馬尼亞。^[1]

臺灣的發光小菇與相關研究

話說回來，觀賞自帶光芒的蘑菇，並不困難。臺灣本地就有幾種會發光的蕈類，在阿里山、溪頭、墾丁等地都看得到。^{[8, 9]}它們隸屬世界三大發光真菌支系之一的「小菇支系」（Mycenoid lineage）。中央研究院生物多樣性研究中心的團隊，曾發表論文探討它們的基因，還被選為 2020 年《美國國家科學院院刊》（PNAS）的封面故事。中研院的新聞稿中指出，目前發光蕈類的基因已被用於各種領域，例如：追蹤癌細胞的移轉，或製造生物感測的環境汙染警示器。^[5]看來發光蕈類，有比單純供人玩賞，更嚴肅的使命。

參考資料：

1. Glencoe’s Ghost Mushroom Lane begins to flourish after heavy rainfall (ABC News, 2022)
2. Weinstein P, Delean S, Wood T, Austin AD. (2016) ‘Bioluminescence in the ghost fungus Omphalotus nidiformis does not attract potential spore dispersing insects’. IMA Fungus (7): 229 – 236.
3. Luminescent ghosts by A/Prof Paul Whitington (Life in a Southern Forest, 2019)
4. Ke HM, Lee HH, Lin CYI, et al. (2020) ‘Mycena genomes resolve the evolution of fungal bioluminescence’, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 117(49): 31267-31277.
5. 臺灣也有發光菇！中研院追溯基因演化史 找尋蕈類發光的意義 （中央研究院，2020）
6. A History of Luminescence: From the Earliest Times Until 1900 by E. Newton Harvey (The American Philosophical Society, 1957)
7. 尋找記憶的缺角：早期有關通草的記錄（國立臺灣大學）
8. 螢光蕈（臺灣國家公園，2018）
9. 施雨伸，2014，〈臺灣產螢光小菇的分布、分類及人工培養，並兼述一新種〉（臺灣博碩士論文加值系統）

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局委託，泛科學企劃執行

• 撰文／楊朝源│自由寫手

炎熱的天氣，最適合來去游泳池泡水消暑了。且慢，出門之前滑個手機，看見新聞上說泳池員工誤將硫酸與次氯酸鈉混合，導致現場產生大量有毒煙霧，多名小朋友吸入後身體不適緊急送醫（相關新聞）。

真的是不看還好，一看嚇一跳，不如在家當個宅宅開心地掃廁所好了。（神轉折）咦？什麼？掃廁所用到的漂白水也是次氯酸鈉溶液？次氯酸鈉到底是什麼呢？為什麼各種需要消毒殺菌的場合都少不掉它呢？

亂世出英雄，戰爭中立功的次氯酸鈉

次氯酸鈉（sodium hypochlorite）首先是在 1787 年被法國化學家柏瑟列（Berthollet）所發現，將氯氣通入鹼液製造而成^{註2018/10/20}。1820 年，次氯酸鈉被法國化學家拉巴拉克 （Labarraque） 當作漂白水來使用。

緊接著到了第一次世界大戰，當時為了幫大量的傷患進行傷口消毒，各國的學者醫生們都在找尋找一種既可以殺菌又不會傷害人體的消毒水，而其中最成功的人便是來自英國的化學家達金 （Dakin），他嘗試了許多種的物質，包含了酚、水楊酸、雙氧水……等，最後他發現同時具有殺菌與清理創傷效果的次氯酸鈉最為理想，而他所發明的配方後來被命名為達金溶液 （Dakin’s solution），到了二次世界大戰的時候，達金溶液已經被普及地用在傷口的消毒及清洗上面。

1990 年代末期，達金溶液的使用也開始受到質疑，其中最多的就是對於健康生物組織具有毒性的討論，因為一開始達金的建議配方是濃度 4% 的次氯酸溶液，而這樣的濃度對於細胞是有刺激性的。但現在發現即使只用 0.5% 甚至更低濃度的次氯酸鈉溶液也可以達到很好的效果，同時也較不具刺激性。儘管在使用上仍圍繞著爭議，臨床上的觀察結果還是可以證實達金溶液依舊是醫學中重要的消毒配方之一。

除了在醫學上的貢獻，次氯酸鈉在我們的生活也同樣扮演了重要的角色，游泳池、廁所乃至於免疫系統，都可以發現它的存在。

次氯酸鈉的殺菌守則：電子通通交出來

次氯酸鈉是如何殺掉細菌的呢？總歸一句話，就是靠著靈的……喔不，是電子的轉移。

要了解次氯酸鈉怎麼殺菌和漂白，就要先知道什麼是氧化還原反應。氧化還原反應指的是過程中發生電子轉移的化學反應，例如說將鋅片放入含有銅離子的水溶液之後，鋅會開始被溶解，而銅則會逐漸覆蓋在鋅片之上，這就是一個氧化還原反應。因為鋅相較於銅更容易失去電子，因此在碰到銅離子之後會將電子轉移出去變成鋅離子，而銅離子獲得電子後會還原成銅（實驗看這邊）。

或許你會納悶，只是增加或減少幾顆電子真的有差這麼多嗎？事實上在化學的世界裡，差一顆電子就可以是天差地遠。舉例來說，同樣都是鈉，金屬鈉 （Na） 和鈉離子 （Na⁺）就有完全不同的化學性質，前者個性火爆，碰到水就會燒起來，後者則是化學界中的好好先生，沒發生什麼大事絕不會起反應，兩個的差別大到都可以大聲說我們不一樣啦！

在我們的生活周遭，氧化還原反應可說是無所不在，包含了我們的呼吸作用、植物的光合作用、各式各樣的燃燒以及電池的放電，這些都是氧化還原反應的案例。

故事回到主線，次氯酸鈉（NaClO）溶在水中會解離成次氯酸離子（ClO^–）和鈉離子（Na⁺），其中的次氯酸離子很容易就會將其他物質的電子搶過來，也就說能夠氧化許多的物質，透過氧化就可以破壞細菌的細胞機能，最後導致細菌死亡。而漂白的功能也是因為氧化了含有顏色的化合物而造成褪色。

消毒水有毒？使用次氯酸鈉要注意

這麼看起來次氯酸鈉簡直是人類偉大的發明之一，那為何會有這麼多意外事件會因它而起呢？沒錯我們這邊就要來首尾呼應一下了。事實上與其說是「消毒」，次氯酸鈉的作用更應該說是「殺菌」。

這邊要提醒大家一下，雖然說常被稱為漂白水的次氯酸鈉可以在超商就買得到，但如果是對外營業的清潔公司（像是辦公大樓或包租公寓常將清潔外包），使用次氯酸溶液進行環境衛生殺菌像是用在地板、牆面的消毒，則歸屬於「環境用藥管理法」的「病媒防治業」的服務範圍，需要領得許可執照後才可以從事這項專業服務。

為什麼這麼麻煩呢？就如同前言的新聞案例，次氯酸鈉可以殺菌，就代表它具有一定的生物毒性，若是不慎喝下或觸碰到高濃度的次氯酸鈉就可能會產生危險；除此之外，它的某些化學反應也會釋放出有毒物質。為了要知道怎麼安全的使用，就讓我們來看看與次氯酸鈉相處時，有哪些事情需要去避免的吧。

1. 禁止飲用與避免觸摸

次氯酸鈉具有生物毒性，喝下太多會有中毒的危險，除非必要也應該盡量不要直接觸摸；若要稀釋高濃度的次氯酸鈉建議戴上手套及口罩等防護措施。

2. 避免高溫及陽光

次氯酸鈉受到高溫或曬到陽光會分解產生有毒的氯氣，因此平時不用的話要保存在陰涼的地方，使用時也不要加進熱水裡面。

3. 避免與酸混合

次氯酸鈉若碰到酸也會產生氯氣，一開始所提到游泳池的案例就是如此，在家中清潔時也要避免與鹽酸等家中的酸性物質接觸，以免產生危險。

次氯酸鈉，一種常見的化學物質，從戰爭中的醫學、到生活中居家的環境消毒殺菌、泳池的殺菌，廣泛的應用使得它成為人類歷史上重要的一環。然而水能載舟亦能覆舟，聰明小心地使用才能讓我們在享受它帶來的方便時，也不會有意外的發生。

參考資料

1. Ueno, C. M., Mullens, C. L., Luh, J. H., & Wooden, W. A. (2018). Historical Review of Dakin’s Solution Applications. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery.
2. Duarte, B., Cabete, J., Formiga, A., & Neves, J. (2017). Dakin’s solution: is there a place for it in the 21st century?. International wound journal, 14(6), 918-920.
3. 衛生署 漂白水的使用
4. 環境用藥管理法
5. 環境用藥管理資訊系統
6. Vogt, H., Balej, J., Bennett, J. E., Wintzer, P., Sheikh, S. A., Gallone, P., … & Pelin, K. (2000). Chlorine oxides and chlorine oxygen acids. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry.( 2018/10/22 補充)

註 2018/10/20：勘誤次氯酸鈉（sodium hypochlorite）首先是在 1787 年被法國化學家柏瑟列（Berthollet）所發現，原段落誤植為當時製造次氯酸鈉的方法是透過電解海水，實際應為將氯氣通入鹼液製造而成；特此更正。

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局委託，泛科學企劃執行