我發現你每次過彎都很不自然，到底彎要怎麼過才順暢？

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？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

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。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

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。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

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：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

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」。

進一步了解商品：https://shop.amway.com.tw/products/2071?navigationType=brand&

山路行車，高低起伏，彎多路險，甚至崎嶇不平，除要求車況良好外，駕駛者必須掌握一定的駕駛技巧，才能確保行車安全。本期小博士專欄要跟大家分享於山路駕駛時的相關技巧及應注意事項。

開跑前，先調整一個舒適的座位

山路行車，駕駛者的駕駛操控動作要比在一般道路上大，精神經常處於緊張狀態，所以應在行車前就要調整好駕駛姿勢，盡量創造一個舒適、正確的駕駛環境。通過懸崖峭壁等較危險的路段時，不可分散注意力和產生緊張心理，應注意觀察路面狀況，並盡量沿路中或靠近山壁一側行駛，行駛中雙手應掌握好方向盤，煞車操作不可過大，以免失控。

山路駕駛時，駕駛員視線要遠且要盡量看清路面情況和路邊環境，要盡量利用路面的寬度選擇行駛路線，遇到彎道視線受阻時應適當減速、靠右行，以防轉彎中遇到會車或轉彎後遇到路障而措手不及。

我的AE86跑遍整座山，安全減速過了很多彎

連續彎路是山路的主要特色之一，在轉彎時會產生離心力作用，上坡時車速較慢，離心力作用較弱，同時車身重心後移，車頭方向會比較好控制；下坡時情況正好相反，由於車速相對快，離心力作用強，車身重心前移，轉向不足程度增加，在這種情況下，汽車如果不能在入彎前有效減速，衝出車道的可能性便較大。

實際在過彎中可能會發生車速過快或過慢等不同因素，這個時候，車速的快慢，則必須由右腳的油門收放來控制，但如果速度快到無法以放油門來降速，則不得已可使用略含煞車的方式降速，絕對要避免以大腳踩踏而造成輪胎鎖死之情況。

在進行山路駕駛時，一般駕駛對於陌生道路各種彎道的判別，不容易掌握的很好，以下跟大家一同分享，有經驗的駕駛老手在山路駕駛時，如何辨別幾種山路，事先知道下一彎道的大概走向，便能加速對山路駕駛的適應，進而增加、累積豐富經驗。

飄移入彎前，記得看清楚雙黃線與告示

山路的形成，是由人工開墾所舖設出來的，因此，可以利用許多後天造成的地形、地物，來大略判斷山路的走向，一般較後期經過修改的山路，都會劃有雙黃線車道線，駕駛可利用其線條的走向，慢慢分析出彎道的特性。若面臨角度較大的彎道時，也會設置大型的方向箭頭指標與反光鏡，只要看道路上有這種配置，基本上此彎的角度大多屬於大於 90 度以上的低速彎，放慢車速，檔位置於低速檔過彎，是最好的對應模式。

而要判別路況除可利用此法之外，在夜晚沒有設置路燈的路段，則可利用設於路邊的貓眼石，與路中央的自發閃爍警示燈，這些都是行駛山路可以拿來增加安全駕駛與增進彎道判別的最佳利器，甚至利用道路旁的水溝或是山壁的彎曲程度，也都是可拿來分辨路面走向的小方法。

另外，以東部的花東公路來說，部份路況蜿蜒險峻，不是山壁，就是懸崖，有些路段無雙黃線與分隔線，有些路段路面又特別狹窄，對新手駕駛而言確實會有壓力。有經驗的駕駛老手告訴我們其實不需太過驚慌，花東的山路固然險惡，尤其是看不到下一彎道的恐懼感，此時可利用此路段靠近懸崖方向的路燈舖設，來提前了解大概的走向。根據這種判別遠方路燈陳設的差異，駕駛自然可以大略看出下幾個彎道的接續情形，之後經過時也就能夠從容應對。

若是林道，如宜蘭太平山，除了道路原有的分隔線與反光貓眼之外，兩旁高聳的大樹，也是可以多加利用的好目標。這種路況，因為是由樹叢中開發道路，因此眼光可以沿著兩旁數木的走向，來分辨山路的形成。當然，以上這些小常識，有的適合白天、有的適合夜晚，但不管是哪一種方法，安全地開車才能真正發揮其效用。

別一擋到底！也要適度換換檔位！

接下來要談行駛山路時，變速箱檔位的應用。手排車對於同一個坡，原則上用幾檔上坡，就用幾檔下坡，但也是要依據坡度、載重、路況等選擇適當的檔位。在下長坡過程中若覺得速度仍控制不下來，可考慮降檔，若能在進入陡坡前預先降檔會更好。

自排車對於上坡絕大部分的狀況是使用 D 檔，讓變速系統自己去調控。在單純的長上坡段，當發現變速箱相當頻繁地在兩個檔位間變換時，則建議變換至較低的檔位，若無法確定是那個檔位則逐漸降檔（→ O/D OFF → 2 → L）直到現象消失。另外要注意的是在陡上坡中停車再開時，要注意可能的倒滑現象，必要時以手煞車輔助啟動。

對於坡度或速度需不斷變換的下坡，選擇在這範圍內的最低檔位，寧可在緩坡段略加油門，不要在陡坡段多踩煞車。自排車在長的下坡時依據坡度、載重、路況等，動態選擇 O/D OFF，2 檔，甚至 L 檔，使得在行駛中除了必要的狀況外不必踩煞車，可以將車速控制在適當的範圍內。

延伸閱讀

• 我發現你每次過彎都很不自然，到底彎要怎麼過才順暢？

本文出自財團法人車輛研究測試中心；原文《山路駕駛》，如需轉載，歡迎與車輛中心聯繫。

「數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後，一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習，運用數學知識，培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力，盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。

本文為 2019數感盃青少年寫作競賽 / 國中組專題報導類第一名 之作品，為盡量完整呈現學生之作品樣貌，本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

• 作者：林柏廷／台北市私立復興實驗高級中學

一、研究動機

從小，我就幻想著能夠開著一台酷炫的法拉利快速行駛在路上，帥氣地飆車和甩尾。想必每個人也都想像過自己在車道上疾速奔馳吧！如果又能夠像頭文字D的主角藤原拓海一樣，把車開得又快又穩，不知道該有多帥！

二、研究背景簡介

在頭文字D裡，為了要訓練拓海的駕駛能力，他的父親曾在車上裝了一杯水，且要求他不能將杯子裡的水灑出來，否則就不能回家。最終，拓海練成了一身絕技，車子開得又快又穩，彷彿人車合一，就此成為了新一代的秋名山車神。不過這真的有可能嗎？我們真的能夠高速行駛且不讓水灑出來嗎？

三、研究過程

首先，我們觀察一些生活中類似的情況。為什麼我們在拿著一杯盛滿的水走路時，水會灑出來呢？因為慣性！我們人前進了，但是水會因為慣性還留在原地，所以水就灑出來了。不過如果用假想力來看，在一個非慣性坐標系當中，如果人用一個a的加速度走路，那水杯裡質量為m的水就會受到-ma的假想力（負號是因為假想力的方向與加速度的方向相反）。如果轉彎的話，這個力就叫離心力。這就像有人在杯子裡使用-ma的力推這杯水，讓水灑出來（當然，杯子裡沒有真的躲著人，因為假想力顧名思義就是一個假想的力）。

如（圖一），電影中杯子裡的水並不是盛滿的，水面到杯緣有一定的深度。

如（圖二）所示，我們試著畫圖計算估計這杯水在拓海轉彎時的運動情形。藍線為水在杯裡的高度；紅線為轉彎時的水面，可以看到水面是傾斜的。圖中標示了杯口的直徑 x 和轉彎水面最低點到杯口的距離 h。以非慣性坐標系來看，車裡的水受到了向下 mg 的重力和 -ma 的假想力，合力方向也呈現在圖中。合力方向就是車子裡新的重力場方向，所以水面會大約垂直這個合加速度的方向。

如（圖三）：

透過相似三角形，我們證出 x : h = mg: m│a│。即，a 的大小等於 gh/x 。我們知道車子在轉彎時，若曲率半徑為R，切線速度為 V，向心加速度為 V²/R。如（圖四）所示：

我們依上述公式可做出下列統整：

四、實證分析

有一般化公式後，我們只需要代入數字，便可求出拓海在轉彎時不讓水灑出來的加速度。從（圖一）電影裡的水杯特寫當中，我們觀察到水杯直徑 x 和水面最低點到杯口的距離 h 比大約為 5:1，即：

此時再找出轉彎的曲率半徑，就可以找到拓海開車的時速囉！如（圖五）所示，曲率半徑就是 AE86 車身長的一半加上護欄圍繞住轉彎處所形成的局部近似圓半徑。

上網查詢資料後，我們得知 AE86 車身長約為 4.2 公尺，質量中心大約在車身長一半處，也就是 2 公尺的位置。求出局部近似圓半徑的方法如下：

如（圖六）所示，到 google maps 尋找秋名山髮夾彎的道路，將螢幕截圖後利用小畫家點出其圓上相異四點，再透過弦的垂直平分線找出圓心。點出圓心後，利用 google maps 測量距離求出圓半徑。

透過 google maps 和小畫家，我們找出了局部近似圓的半徑，約為 8 公尺。將其數字和車身長度 2 公尺相加，我們就得到了長度約為 10 公尺的曲率半徑。這時，再沿用之前推論的加速度，代入向心加速度公式中：

求出拓海的行駛速度v為 √19 m/s，大約是每秒 4.4 公尺。

4.4 * 60 * 60 / 1000 = 15.84

換算成時速大約是 16 km/hr。

這速度其實是十分緩慢的，到底有多慢呢？舉個例子做對比：一般國中生跑 100 公尺的時間大概都在 20 秒以內，也就是說 1 秒內大約都能跑 5 公尺。

欸？拓海開車的速度竟然比我們國中生奔跑還要慢！拓海恐怕真的會被對手嗆說：「我跑步就比你快了！」，這樣，秋名山車神的面子怎麼掛得住？那麼，想必大家應該很好奇，如果要漫畫裡快速行駛又不讓水灑出來的情境呈現於現實生活當中，需要一個多大的杯子？一樣的，我們只需要代入想要的時速，做簡單的換算之後就可以算出來啦！

我們估計拓海賽車的時速會超過 150 km/hr。若以時速 162公里計算，換算成秒速是 45 m/s，那麼我們就可以透過下述的算式求出車子的向心加速度：

這加速度大約是重力加速度 g 的 20 倍。也就是說，這杯子裡水面到杯口的距離，根據相似三角形，必須要是 5 公分的 20 倍，也就是 100 公分。拓海至少要使用一個超過 1 公尺深的杯子才能在時速 162 km/hr 的情況下開車又不讓水灑出來。

五、結論探討

利用相似三角形和電影中水杯特寫的比例，我們求出了拓海轉彎的加速度；利用向心加速度公式、google maps、和小畫家，我們求出了拓海的行駛速度，最後得到的結果為：若依照電影情節，拓海的行駛速度大約要低於 16 km/hr 才可避免水灑出來；若要以時速 162 公里的速度開車，就需要一個高於 1 公尺的杯子。顯然我們很難找到一個 1 公尺高的杯子直立在車裡。這是一件非常不合理的事。這樣的話，拓海估計永遠回不了家了，除非他買了一個如（圖八）的巨大杯子。

更多2019數感盃青少年寫作競賽內容，歡迎參考 2019數感盃特輯、數感實驗室官網及粉絲頁喔。