環境荷爾蒙是什麼？為什麼走到哪遇到哪呢？

本文與 高柏科技 合作，泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達（NVIDIA）、Google、微軟，甚至是 Meta 的存在，究竟是什麼？答案或許並非更強大的 AI，也不是更高速的晶片，而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初，搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機，傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題，但這場「科技 vs. 熱」的對決，才剛剛開始。 

不僅僅是輝達，微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中，希望藉由洋流降溫；而更激進的做法，則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中，來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

但這些方法真的有效嗎？安全嗎？從大型數據中心到你手上的手機，散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技，一同看看如何用科學破解這場高溫危機！

運算=發熱？為何電腦必然會發熱？

這並非新問題，1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時，就提出了「蘭道爾原理」（Landauer Principle），他根據熱力學提出，當進行計算或訊息處理時，即便是理論上最有效率的電腦，還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失，系統的熵就會上升，而隨著熵的增加，也會產生熱能。

換句話說，當計算是不可逆的時候，就像產品無法回收再利用，而是進到垃圾場燒掉一樣，會產生許多廢熱。

要解決問題，得用科學方法。在一個系統中，我們通常以「熱設計功耗」（TDP，Thermal Design Power）來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說，TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量，通常以瓦特（W）為單位。也就是說，TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP，例如AMD的CPU 9950X，TDP是170W，GeForce RTX 5090則高達575W，伺服器用的晶片，則可能動輒千瓦以上。

散熱不僅是AI伺服器的問題，電動車、儲能設備、甚至低軌衛星，都需要高效散熱技術，這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料（TIM）」：提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡，散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料，而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中，晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合，表面多少會有細微間隙，而這些縫隙如果藏了空氣，就會變成「隔熱層」，阻礙熱傳導。

為了解決這個問題，需要一種關鍵材料，導熱介面材料（TIM，Thermal Interface Material）。它的任務就是填補這些縫隙，讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」，即使主線有再多車道，如果匝道堵住了，車流還是無法順利進入高速公路。同樣地，如果 TIM 的導熱效果不好，熱量就會卡在晶片與散熱片之間，導致散熱效率下降。

那麼，要怎麼提升 TIM 的效能呢？很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁，若要更高效的散熱材料，則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成：高導熱粉末（如金屬或陶瓷粉末）與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好，盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了，受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸，高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後，會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題，高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」，說是凝膠，但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄，比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK，到這裡，「匝道」的問題解決了，接下來的問題是：這條散熱高速公路該怎麼設計？你會選擇氣冷、水冷，還是更先進的浸沒式散熱呢？

液冷與 3D VC 散熱技術：未來高效散熱方案解析

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量，也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限，因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷，熱量在經過 TIM 後進入水冷頭，水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好，且增加的體積不大。唯一需要注意的是，萬一元件損壞，可能會因為漏液而損害其他元件，且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮，可以考慮另一種方案，「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義，就是把均溫板層層疊起來，變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板，原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」，直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中，會放入容易汽化的工作流體，當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化，當熱量被帶走，汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法，最大的特點是：導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻，不會有熱都聚集在入口（熱源處）的情況，能更有效降溫。

整個 3DVC 的設計，是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯，能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC，就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是，工作流體移動的過程經過設計，因此不用插電，成本僅有水冷的十分之一。但相對的，因為是被動式散熱，其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC，高柏科技一直致力於不斷創新，並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積，高柏科技開發了6項專利技術，涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後，均溫板不僅保有高導熱性，還增強了結構強度，顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步，有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術，將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中，許多冷卻液會選擇沸點較低的物質，因此就像均溫板一樣，可以透過汽化來吸收掉大量的熱，形成泡泡向上浮，達到快速散熱的效果。

然而，因為水會導電，因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些，但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時，很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS，這是一種永久污染物，會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液，例如礦物油、其他油品，又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

另外，把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等，都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證，相信很快就能推出更強大的散熱模組。

橡膠對現代人的重要性

如果沒了這種物質，世界會是什麼樣子？試想沒有輪胎的汽車、沒有奶嘴的奶瓶、沒有腳蹼和潛水服的潛水器材、沒有橡皮擦的鉛筆、沒有黃色小鴨的童年⋯⋯

這種質地特殊的材質便是橡膠。橡膠來自原生於亞馬遜叢林、名為「巴西橡膠樹」的樹木（Hevea brasiliensis，命名來源就是因為這種植物生長於巴西）。

不過，歐洲人首次注意到的橡膠樹其實是圭亞那橡膠樹（Hevea guianensis）。樹如其名，這種橡膠樹生長於圭亞那。

在歐洲人「發現」橡膠樹的時代（印第安人當然很早就認識了這種植物），圭亞那是個鮮為人知的蠻荒之地，沒有火箭發射場也沒有淘金客。

當時也不流行生態旅遊、T 潘趣酒（ti-punch，一種蘭姆酒的調酒）或卡宴辣椒。當時的人也從未想到，這種看似平凡的熱帶樹木即將引發高潮迭起的植物和經濟熱潮⋯⋯偶爾還有些悲壯。

有位巧手的工程師正在尋找會哭泣的樹木

第一位對橡膠產生興趣的人，是胥修德里領主、加陶迪耶的弗朗索瓦．弗雷諾（François Fresneau de la Gataudière, 1703–1770），他在 1703 年生於牡蠣的原鄉、法國西南部的馬雷訥。他的全名看起來充滿上流社會的氣息，我們在這本書中稱呼他為弗雷諾就好。

弗雷諾本人似乎遭到歷史遺忘，但他的發現和成就改變了世界。就如同法國歌曲〈塑膠超讚〉的歌詞：「塑膠超讚，橡膠超柔軟」！今日的人類已經可以羅列出超過 25,000 種不同的橡膠用途。

路易十五的海軍大臣莫爾帕伯爵菲利波（Jean-Frédéric Phélypeaux de Maurepas, 1701–1781）任命弗雷諾為圭亞那首府開雲的皇家工程師。弗雷諾當年29歲，而且熱情滿滿。

弗雷諾的第一份工作便是研究新堡壘如何搭建。他也需要採收植物，以便充實皇家花園。他對當時圭亞那的可可園十分感興趣。工程師弗雷諾的得意作品中，最令他得意的發明作品是⋯⋯蟻巢毀滅器！果真是自由奔放的年輕人。

發明蟻巢毀滅器的天才：弗雷諾

當時，可可園遭受紅螞蟻入侵，而充滿創意與膽識、彷彿十八世紀馬蓋先（譯註 美國冒險影集《百戰天龍》主角）一般的弗雷諾便發明了可以將硫磺吹進蟻巢的機器。

螞蟻因此蒙受苦難。他持續搭建非常實用的引擎：將溝渠斜坡上的泥土提起並移走的起重機、磨碎木薯或小米的手磨機、從木薯根部榨出水分的壓縮機。他還策畫了奧亞波克河新哨所的防禦工事。

弗雷諾被自己的成功沖昏了頭，希望加官晉祿，要求升任上尉。當時的圭亞那監察專員也認為弗雷諾「熱情澎湃，宛如英雄」。

然而，他卻受到其他殖民地老長官和開雲教士社群的忌妒，升官之路受阻。於是，弗雷諾前往鄉間，僱用 八名「黑人」（請記得，當時的法國人仍使用「黑人」、「野蠻人」、「生番」等稱謂來稱呼和殖民者長相不相似的族群⋯⋯），並種植甘蔗、木藍等植物。

他也持續發展自己的防禦工事專長，發明了一種可以用來製磚的泥沙混和物。真是位天賦異稟的工程師啊！

——本文摘自《植物遷徙的非凡冒險》，2023 年 6 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

• 作者／王潔、許惠晴

• 作者簡介
  • 王潔／麻省理工學院材料工程學系博士，任教於清華大學化工系，研究領域為生物可降解高分子的開發與應用。
  • 許惠晴／清華大學化工碩士班畢業，現為塑膠生物分解相關領域研究助理。

• Take Home Message
  • 聚乳酸（PLA）為生物可分解塑膠，在高溫與高濕度的堆肥環境下 PLA 能被微生物分解並轉換成二氧化碳。
  • 目前臺灣並未將 PLA 的回收和堆肥機制立法，即使業者能回收、製作堆肥，也不能合法販售，無法使金錢流與物質流一同循環。
  • PLA 屬於塑膠回收分類的第七類，但臺灣民眾認識不足、政策與回收物末端處理也未做好準備，因此自今（2023）年8月起將禁用 PLA 免洗餐具。

在日常生活中購買商品時，常會看到商品標榜使用生物可分解塑膠（biodegradable plastics）作為盛裝容器，而聚乳酸（polylactide，PLA）則是許多人耳熟能詳的種類之一。自臺灣 2002 年實施限塑政策以來，PLA 逐漸被業者所採用，但在今（2023）年8月卻又將被政府修法禁用。

為什麼 PLA 過去能在塑膠市場中嶄露頭角？如今又為何被禁用？

來自可再生資源的PLA

雖然 PLA 的耐受溫度受限在 50℃ 以下，但它的外觀或材料強度，與日常可見的傳統塑膠如聚乙烯對苯二甲酸酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚丙烯（polypropylene，PP）等十分相近。如果我們在生活中特別留意，可以發現生鮮托盤、雞蛋盒、冷飲杯、餐具等都可能是 PLA 製品。因此在拋棄時需要特別注意，將它與傳統塑膠區分開來，歸在塑膠回收分類的第七類（即其他類）。相較於傳統塑膠，PLA 除了號稱生物可分解之外，原料與製程也與傳統塑膠大有不同——PLA 的原料來自植物澱粉，例如玉米、馬鈴薯等，也就是所謂的生物基（biobased）。

澱粉經加熱或酵素分解成葡萄糖後，再藉由特定菌種的糖解（glycolysis）與發酵（fermentation）作用，成為聚合前的乳酸（lactic acid）單體，隨後再經由一連串加熱、脫水、聚合成為最終的高分子成品—— PLA。由於 PLA 的原料來自於可再生的植物資源，並非不可再生的石油，且植物在種植過程會吸收大氣中的二氧化碳，也能對溫室氣體的減量做出貢獻。因此在世界各國強調減碳的趨勢之下，PLA 確實是十分優秀的替代物。

可堆肥塑膠的生物分解過程

既然被稱為生物可分解塑膠，PLA 究竟如何被生物分解呢？PLA 屬於聚酯類（polyester），聚酯中的酯鍵較能被環境中的水分或生物水解酵素分解，可說是生物可分解塑膠類別裡的大宗。此外，在學術期刊中也能找到 PLA 藉由生物酵素、菌種或堆肥分解的資料。

不過在現實生活裡，處於「生物分解」過程中的塑膠會是什麼模樣呢？若以歐洲的可堆肥塑膠認證標準（EN 13432）為例，通過重金屬檢測的塑膠材料在「控制環境條件的堆肥」中存放三個月後，必須有90％ 崩解成小於兩毫米（mm）的碎塊；塑膠中 90％ 的有機質在六個月內能被轉換成二氧化碳；最後則是將此堆肥用於生物毒性測試，確認植物是否能於其中生長良好。

筆者團隊參考生物分解性試驗（ISO 14855-1 / ASTM D5338）的國際標準，透過控制環境條件的小型堆肥，實證 PLA 塑膠片的生物分解性（圖一）。在實驗中僅使用一般市售腐植質培養土作為資材，其中的菌類活躍程度應不如發酵中的堆肥，但依然能在兩個月內看見塑膠片碎裂、消失（圖二）。此外，含有PLA 塑膠片的堆肥相較於無添加 PLA 的堆肥，也被偵測到有較多的二氧化碳產出，透過計算可得出約有60％ 的 PLA 已被轉換成二氧化碳。然而，這些堆肥的「控制環境條件」特殊，溫度除了必須設定在50℃ 以上之外，還需要維持在高濕度。

PLA 堆肥實況與臺灣現況

如果在實驗室外、變動因素較多的環境下，PLA 塑膠也能如此順利地被分解嗎？對於這點，臺灣其實已有業者實做出 PLA 塑膠袋的回收與大型堆肥（圖三），並將熟成後的肥料實際用在自家農園中。然而這些堆肥其實也不僅是混合植物資材、動物糞便等有機質及 PLA 而已，堆肥中的各個資材種類需有特殊配比，才能讓堆肥在發酵至腐熟的過程中可以發熱至一定的高溫。此外，溫控設備需要將堆肥的溫度穩定控制在 60℃；還需要定期灑水與自動曝氣，幫助維持堆肥中微生物的生存條件。雖然號稱為生物可分解塑膠，但要讓 PLA 回歸大自然似乎不是件輕而易舉的事。

透過堆肥的方式使生物分解後繼續作為農用肥料，或是回收再製成二次塑膠，其實都是讓 PLA 留在物質循環裡的方式，也切中了近年來許多單位提倡的「循環經濟」（circular economy）。以現今的堆肥技術而言，PLA 堆肥已能夠穩定熟成並有所產出，在塑膠回收再製方面也有一定程度的技術，因此「效益」便是選擇做與不做的關鍵。

至今為止，臺灣對於制定可堆肥塑膠的相關政策仍未臻完善，並未立法建立回收機制讓 PLA 廢棄物能進入堆肥中。即使業者自行將塑膠獨立回收進行後續的堆肥處理，完成後的肥料也不能合法販售，無法形成完整的金錢流與物質流一同循環。

最後，PLA 在臺灣的普及度相較於傳統塑膠來說本來就不高，回收率又十分低迷：根據 2021 年環保署回收基管會的統計數據，PLA 在臺灣的回收率僅有5～6％。除了市場流通量小，再加上因為制度與民眾教育不足所導致的低回收率，使得 PLA 廢棄物的處理缺乏效益。沒有經濟誘因，何來循環？

歐盟政策推動塑膠永續的做法

歐洲對於塑膠永續的推動，在國際上可說是領先的角色。歐盟（European Union，EU）更是持續支持生物可分解塑膠或可堆肥塑膠的發展，並在去（2022）年11月底提出了《生物基、生物可分解與可堆肥塑膠政策框架》（EU policy framework on biobased, biodegradable and compostable plastics），聲明生物基、生物可分解與可堆肥塑膠在汙染議題中的目標、應用價值及適當的使用方式，進而引導往後的立法，以及永續的塑膠市場。

首先，以 PLA 的材料本質來說，它的原料來自於玉米、馬鈴薯等植物，雖然能夠減少消耗石油資源，但仍應當兼顧生態多樣性、土地與水源利用。畢竟種植經濟作物的同時，勢必得開發自然土地、占用部分水源，甚至不可避免地需要使用化學肥料或農藥，進而危害到原始生態系。另外，為了生產塑膠影響到糧食供應也可能是個隱憂，若能優先使用回收塑膠、有機廢棄物或副產物作為塑膠原料，將能夠降低為了生產 PLA 對生態系與糧食的影響。

歐盟的政策框架對於「生物可分解」塑膠的性質，則認為「廢棄物管理不周」的問題不應該以生物可分解塑膠作為解方。生物可分解塑膠常被應用在消耗快、難以資源循環、生命週期短的產品上，雖然容易被丟棄但仍有它的特定分解環境與分解時間需求。像是需要在高溫、高濕環境才能分解的 PLA 就是很貼切的實例，它需要搭配消費者正確的認知、使用與回收習慣，才不會和傳統塑膠一樣累積在環境中造成汙染。

總結來說，歐盟對於生物基、生物可分解與可堆肥塑膠的運用，希望以減量、再利用及回收，也就是「3R」（reduce、reuse、recycle）為優先原則，並達成資源循環、資源利用效率、氣候中和、零汙染、生態多樣性維持等永續目標。

PLA 的未來

雖然本意是為改善傳統塑膠汙染問題並因應限塑政策，但臺灣卻在立法、回收機制、廢棄物後端處理，以及民眾教育均尚未準備好的情況下就讓 PLA 進入市場。傳統塑膠回收分類中的六大類已經夠讓人眼花撩亂，再多一項 PLA 加入第七類，更會增加人們拋棄塑膠時的困擾。

也由於民眾尚未建立完整的回收概念、後端堆肥處理機制也未完善，導致 PLA 被使用後的去處如同沒被回收的傳統塑膠般，變成了垃圾；即使 PLA 被正確回收，也沒有廠商能二次使用或再製成堆肥。這兩項原因最終都可能讓 PLA 進入到焚化爐、掩埋場或流向大自然。

還有一種情形是民眾落實了塑膠回收，但卻將 PLA 與傳統塑膠歸在同一類，使 PLA 混入傳統塑膠的再製過程，影響了它二次塑膠的性質。美國知名速食業者在臺灣也曾以含有開口的 PLA 杯蓋取代傳統塑膠吸管的使用、冷飲杯與沙拉碗同樣使用 PLA 材質，但也因為察覺到消費者回收上的不便，以及質疑 PLA 的最終流向，令他們在 2020 年停用了 PLA 材質包裝。臺灣也終於要修法，即將於今年8月禁止使用生物可分解塑膠免洗餐具。

面對塑膠汙染議題，其實從來就不只是「塑膠材質是否為環境友善」單方面的責任。PLA 在來源以及生物可分解方面確實相較於傳統塑膠有它的優勢，但卻也需要使用者正確的觀念配合及政策支持才能完整達到環保的目的。最後，「塑膠減量與再利用」也是緩解塑膠汙染重要的一環。透過綠色塑膠材質與減量雙管齊下，才能讓塑膠發展平衡地邁向永續。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 5 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。