之前介紹過火龍卷實驗，可以利用旋轉外罩網來增加空氣的旋度，讓上升的氣流跟火焰變成火龍卷，增加燃燒的效率。其實類似的機制也可以用在吸煙區的除煙室的設計上，在這影片中，除煙室中央有一個空氣吸入口，而除煙室周圍有一些空氣簾，然後空氣簾都朝同樣的順時針方向排氣來製造有旋度的空氣。
當這樣有旋度的空氣被中心的空氣吸入口集中到中心以後，就會產生龍卷的煙柱，讓煙很集中地快速被吸走。因為有龍捲的幫助，香菸的煙就更不會擴散到這區域以外的地方，而且排除的效率更好。同樣的設計也可以用在廚房排油煙間，或是需要控制氣流流動跟需要除塵的地方(生物實驗室，無塵室等等)， 所以同樣的原理雖然在火龍卷上可能會造成火災的蔓延，不過了解原理也會讓更多可能的應用被實現！
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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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拖著腳步走在酷熱沙漠中的你，突然看見前方有東西出現：一片荒蕪之中竟有一池波光粼粼的水。但當你急著走向水邊，想喝點水來解渴時，那池水卻忽然消失無蹤。事實上，你看到的不是水，而是大自然以光學錯覺對你開的殘酷玩笑。
當地表溫度讓其上的空氣升溫時，就會出現海市蜃樓；路面和沙漠經常能看到此現象。吸收大量熱能的沙子和柏油會將部分熱能傳到地面上方的空氣中。暖空氣的密度比上方的冷空氣小，當光線從冷空氣進入暖空氣時，兩者的介質密度差異便會讓光線的行進路徑產生彎折。
但你的大腦並不知道光線已被彎折。當光線進入眼中時，大腦依然以為光是從前方的地面筆直地反射而來，所以我們會把被折射到地面的藍天看成地上的一池水。我們以為終於得以解渴，但一切都是錯覺。
本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 30 期（2017 年 03 月號）
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上班族閒聊的時候，只要提到搭飛機，不可免俗地都會談到機艙的空氣品質，你可以替我們解惑一下嗎？因為我們常聽到一些傳言，說機艙的空氣不僅骯髒，又充滿細菌。
骯髒、到處都是細菌、很糟糕、噁心、品質惡劣、讓人反感、不好聞、腐敗、很臭、到處都是屁味。大眾用來描述機艙空氣品質的用語中，以上這些還只是一小部分而已。外界還有為數不少的傳言，就是有些旅客聲稱，在機艙內循環的細微病菌害得他們身體不舒服，但機艙內部的空氣其實非常乾淨。
現代飛機上的旅客還有組員所呼吸的氣體，其實是由回收循環的空氣以及外界的新鮮空氣所組成。將兩種氣體混合，不單只用新鮮的空氣，這種做法更能夠調控機艙內的溫度，還可以維持一點溼度（其實只能短暫維持而已）。機艙內部的氣體是從發動機的壓縮區段而來。壓縮過後氣體溫度相當高，不過在這個區段壓縮機只是擠壓空氣，氣體並沒有跟燃料、滑油，或者是燃燒室的氣體接觸。氣體從壓縮機分流之後就會送進空調系統冷卻，隨後就由導管輸送進入機艙，中間會經過百葉窗式氣縫、通氣孔，還有旅客座位上方的冷氣口（駕駛都稱空調系統稱為「PACKs（pneumatic air cycle kit）」，這是「氣動式空氣循環裝置」的簡稱，通常一架飛機都有兩組這種裝置）。
空氣進入機艙後會持續循環，直到被吸入機身底部為止，到了這個階段，有一半的氣體被抽出機身外—由主增壓外流閥排出。這個時候，機身內的另一半氣體會跟發動機灌入的新鮮空氣混合，經過濾清器，開始新的循環。
研究顯示，跟其他密閉空間相比，擁擠的機艙內部的病菌並沒有比較多—通常還更少。製造機身底部濾清器的公司都說這些裝置屬於醫療等級，雖然我早就知道你們可能會說醫院根本是病菌的溫床，但是波音公司指出，濾清器可以捕捉空氣中百分之九十四到九十九點九的微生物，而且每兩到三分鐘就會重新換過一次空氣，遠比辦公室、電影院，或是教室的頻率高出許多。
外界一直有一個根深柢固的迷思，那就是駕駛會定時降低空氣的流量來節省燃料。令人惋惜的是，有些很可靠、頗具權威的新聞媒體也跟著附和這種無稽之談。這邊就有一個鐵證：以下這段話是取自《經濟學人》二○○九年的其中一期，裡面寫道：「一半新鮮空氣、一半則是回收循環的氣體，航空公司通常都會維持這樣子的比例。然而駕駛可以調降新鮮空氣的比例來節省燃料，有些還把新鮮空氣的比例降到只剩百分之二十。」讀到這裡的時候我都傻眼了。我特別愛這句：「有些還把新鮮空氣的比例降到只剩百分之二十。」這句話聽起來豈不是帶著濃厚的陰謀色彩嗎？
首先，駕駛無法調整飛機的空調系統，也沒辦法控制兩種氣體之間的比例。裝置的製造廠商早已設定好氣體的比例，也無法從駕駛艙來控制調整。在我駕駛的波音飛機上，我們可以直接調控溫度，但是只能間接控制氣流。如果你們請我「把新鮮空氣的比例降到百分之二十」，我還會很有禮貌的告訴你們我辦不到。開始飛行之前，調整的開關已經設定成自動模式，氣動式空氣循環裝置也會稍微掌控比例的調整。既然兩個發動機持續運轉，一切也都順利的運作，絕對不用擔心氣流有什麼狀況，唯有故障的時候設定才會更動。
我個人並不是很熟悉空中巴士的機型，不過我們可以跟空中巴士專家聊一聊。「空中巴士系列的飛機，從A320到比較大型的A380，這些機型都有讓駕駛調整氣流的方法，但是絕對不是《經濟學人》描述的那樣。」戴夫英格力須說，他是A320的駕駛，也是一名飛航作家。
戴夫解釋說空中巴士的氣流控制器有三個段位，分別標示為高（HI）、正常（NORM），還有低（LO）。「基本上大部分時間氣流控制器都是位於正常的位置，這個時候空氣流量為自動控制。如果需要快速調整氣溫，會把駕駛桿調到高的位置；位置低的功能就像名稱表示的那樣，這個段位會降低空氣流量、節省一些燃料，但是降低的幅度極小，也很少派上用場。公司會告訴我們，只有在乘客數量少於一百人的時候才能調到低。而且改變不大，乘客坐在機艙內，幾乎無法察覺任何差異。」
飛機在地面上的時候，你偶爾有可能會聞到一股強烈的氣味—飛機後推之後，機艙內很快會聞到一股刺鼻的氣味，就像是老舊的汽車或巴士排放的廢氣。通常在發動機啟動、廢氣被吸入空調組件中的時候，就會發生這種狀況。這種情況常常要怪外頭的風，風讓氣流逆向吹送，或是把煙霧吹進空調組件的進氣口。這種味道通常只會持續幾分鐘，直到發動機開始穩定運轉就會消失了。這股味道不好聞，不過這跟塞車的時候，你偶爾會在車內聞到的味道不太一樣。
如果乘客抱怨機艙的空氣太乾，這就很合情合理。沒錯，機艙內通常相當乾燥，沒什麼溼氣。機艙的溼度大概在百分之十二左右，甚至比大多數沙漠乾燥許多。飛機在高空中巡航時，機艙乾燥就是最主要的附帶結果，因為在高海拔的空中，水氣的含量很低、甚至微乎其微。提升機艙的溼度看似是一個簡單合理的解決之道，但是我們不這樣做的原因有以下幾種：首先，噴射客機需要載運大量的水，才能讓機艙充滿水氣，但是這樣不僅代價高昂，也會增加重量。加溼系統需要將水重新循環利用，水量愈多愈好，因此這個系統所費不貲，也相當複雜。這組系統確實存在：一個就要超過十萬美元，但也只能小幅提升溼度而已。腐蝕的問題也不能忽視：溼氣跟水珠會依附在機身內部，這對飛機來說傷害很大。
波音787上的濾清器能將效能發揮到百分之九十九點七，所以787的機艙空氣品質是所有商用客機中最有益人體的，溼度當然也高出許多。而且機身的整體構造較不受水氣影響，也有一個特殊的循環系統，會將乾空氣打入機艙跟外殼的夾層中。
舉出以上例子，並不是要強調旅客絕對不會在飛行時感到不適。雖然空氣很乾淨，但是太過乾燥卻對人體的鼻竇有害。乾空氣會破壞鼻黏膜的防護，病菌就更容易入侵。不過，導致乘客生病的通常不是他們所吸入的空氣，而是他們所碰的東西—廁所的門把，還有充滿細菌的托盤跟扶手等等。我不時會看到有乘客戴著口罩，跟這個方法比起來，帶一點乾洗手液在身上或許更能降低生病的機率。
如果你說飛機是散播特定疾病的潛在因素，這點我也不否認。飛機能載著我們快速地長程飛行，確實帶來很多好處，但風險也隨之而來。有一次從非洲起飛的航程結束、飛機落地之後，我發現駕駛艙內有一隻蚊子，我心想：「這隻小小的偷渡客，很容易就溜到航廈裡面咬了某個人。」想像機場內有一個毫無戒心的工作人員，他從來沒有出過國，但是卻突然染上了外來的疾病。事實上，這種情況幾年來都持續發生。這種「機場瘧疾」的案例在歐洲確實有發生過，還因為誤診或延誤就醫喪失了好幾條人命。即使這種慘劇還沒出現在美國，遲早也會發生。全球航空旅行如此有效率地把病菌從一大洲散播到另一洲，這種現象確實頗具教育意義、引人注目，但是老實說，也讓人有點心驚膽戰。
本文摘自《機艙機密：關於空中旅行，你該知道的事實》，由好人出版 出版。
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