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不管是求學、求職、環遊世界或是做間諜,臺灣人日治時期出國行李清單第一項:「旅劵」

研之有物│中央研究院_96
・2019/09/06 ・5955字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|莊崇暉、美術編緝|林洵安

日記男孩葉盛吉長崎泰益號文書精彩故事後,研之有物再次造訪臺史所檔案館挖寶。因為聽聞這裏有近 20 萬筆日治時期臺灣人的「旅券」資料,不僅可以找出自己的祖先當時出國去哪工作或求學,甚至短短一行訊息便揭露當時動盪政局中諜報戰的關鍵人物!

出國行李清單絕不能忘記的東西是護照,你知道日治時期臺灣人也有一張絕對要帶的東西才能出境嗎?

1897 年至 1907 年凡是由臺灣出境,無論日本人、韓國人、臺灣華僑、臺灣籍民,皆須申請「旅券」。

1897 年 1 月,臺灣總督府實施《外國行旅券規則》,規定居住於臺灣的帝國臣民,如欲出國,需向居住地所轄各縣廳申請「旅券」(りょけん)。同年 5 月,臺人依據馬關條約得以選擇去留的猶豫期截止後,臺人若想前往海外,皆須與其他島內「帝國臣民」一樣,依規定申辦旅券。

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除了與丈夫同行的妻子及未成年子女,可將其姓名、身份及年齡併記於戶主、丈夫或父母的旅券之外,旅券原則上每人一張,領取時每張需繳納手續費 50 錢。

日治時期,臺灣人要到其他國家,必須申請旅券(即護照)。圖片來源│臺史所檔案館數位典藏

旅券與現行護照不同,當時僅是薄薄一張紙。

中研院臺灣史研究所的許雪姬所長表示,日治時期旅券適用範圍包括日本人、韓國人、臺灣華僑等,只要在臺灣出境都得申請。申請資格並無財產限制,應填寫資料包括:氏名、本籍地、居所、與戶主之關係、族稱、年齡、職業、旅行地名、旅行目的等。

不過,日本人不滿從臺灣出境還要再申請一張,所以 1907 年後,日本外務省改正為《外國旅券規則》,日本人可以選擇申請或不申請。但是許雪姬說,前往中國的臺灣人特別多,所以後來臺灣籍民抗議此舉為差別待遇。「渡華旅券」一詞便是這樣來的,因此後來爭取廢除渡華旅券是臺灣民主運動史重要的指標之一,只是直到日治結束,旅券制度依然存在。

《臺灣總督府旅券下付表》:出國往來全紀錄

凡出國回來後,就要把旅券交回總督府,下次再申請新的。官方發給旅券稱為「下付」,民眾用畢後,繳回存檔叫「返納」。總督府登記的簿子稱為《臺灣總督府旅券下付表》

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《臺灣總督府旅券下付表》中出現的名詞頗值得玩味。「寄留地」:假如出生地為澎湖,但現在住臺北,臺北就是寄留地。又如「普通旅券」,即限單次往返使用,返臺後限期繳回;「往復旅券」則是 3 年內可不限次數使用,類似今日高鐵的定期票。

其中的「族籍」欄位,可見「新臣民」這個名詞,由來是 1895 年《馬關條約》簽訂後 2 年內,日本准許臺灣人變賣產業後離臺,期滿後未遷徙者視為日本臣民。因此,1897 年 5 月起的旅券發行紀錄簿中,臺灣人就被記載為日本國之「新臣民」,如下圖所示:

臺北縣旅券下付表( 1897 年),一直行即為一筆申請旅券的紀錄。
圖片來源│臺灣總督府旅券下付表,臺史所檔案館數位典藏

中研院臺史所檔案館的王麗蕉主任補充說明,有些欄位也會變動,像是取消族籍一欄,或像早期寫年齡,後來改成出生年月日。又或像排序,一開始依日本イロハ仮名順(編按:即依日文五十音順序),後來依申請先後順序。

《臺灣總督府旅券下付表》於日治時期,每三個月整理一次(四月到六月、七月到九月、十月到十二月、一月到三月)。王麗蕉表示,早期是由各縣廳繳交一份旅券資料,再由總督府文書員抄寫一份送至日本外務省,所以在日本外務省外交史料館看到的資料,上頭就是寫臺灣總督府。大約在 1900 年之後,縣廳才變成一次繳二份,一份放在總督府,一份交到日本外務省,不用再另行抄寫。

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旅劵告訴我們的事:臺人渡海求發展

《臺灣總督府旅券下付表》資料顯示,多數臺灣人使用旅券至中國,是為了求學或找工作。因為日治時期臺灣教育機關不足,臺人子弟錄取名額受限,升學競爭遠較日本人更加激烈。當時有能力的臺灣人才能把小孩送往日本留學。儘管臺灣人主動徵求設立中學校,例如臺中中學(今臺中一中),但是僧多粥少。

在日本的差別待遇下,臺灣人向海外發展,才能夠得到更好的機會來成就自己。

許雪姬表示,日本人在中國辦的學校非常熱門,比方日治時期將近 120 名臺灣人在滿洲醫科大學拿到學位和醫生執照,至少一半以上留在滿州當醫生。此外,青島醫科大學也吸引很多臺灣學生。但當時臺灣的醫學高等教育機構,只有臺灣總督府臺北醫學專門學校一所(今臺灣大學醫學院)。

圖為 1935 年 10 月 25 日大連孟天成的博愛醫院同仁合影。孟天成是臺東廳卑南人,1904 年畢業於臺灣總督府醫學校,1914 年受滿鐵大連醫院院長尾見薰提拔,前往大連醫院就職。結束在大連醫院的服務後,開設博愛醫院,專治嗎啡、鴉片、花柳各症。
資料來源│赴滿洲國臺灣人照片,郭双富先生提供,臺史所檔案館數位典藏

依臺灣總督府外事部管理課長大田修吉在 1944 年撰寫〈海外に於ける本島同胞〉一文,發布 1943 年 12 月「海外在留本島人調」的結果指出,當時在華南有臺灣人 24,320 人,在華中有臺灣人 7,102 人,在華北有臺灣人 967 人,在滿洲有臺灣人 990 人,在蒙疆有臺灣人 23 人,總計共有 33,402 人。

除了中國,臺灣人也會至南洋發展事業,1916 年前後,有不少臺灣人前往經商。因為當時婆羅洲分屬英國、荷蘭殖民地,討生活必須克服種種困難,一方面靠日本勢力,一方面靠華僑網絡。臺灣人與許多閩南人和客家人往來都非常密切,加上當時中國抗日、抵制日貨,因此日本人在東南亞販售貨物,得靠在南洋的臺灣人協助運貨。

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許雪姬進行中的歷史研究也發現, 1917 年大約有千位臺灣人遠赴北婆羅洲的橡膠園工作。因為日本人在當地有一個久原農場,聘請臺灣勞工至南洋做工,首次去還給安家費。不過去了才發現環境、疾病問題都是挑戰,大概一兩年之後,除了少數人留下,其他臺灣人便紛紛回臺。

由旅卷資料找出諜報戰關鍵人物

不只庶民生活,旅券資料也透露精彩的諜報戰故事。中日戰爭期間,臺灣籍民與國民政府、中共政權皆有往來。甫從臺中一中畢業的臺灣人彭盛木(原名彭阿木,後改名),先到上海東亞同文書院求學,後加入國民政府軍事委員會調查統計局。在軍統局指示下,彭盛木成功打入汪精衛政權,在周佛海旁擔任通譯兼秘書(當時臺灣人在中國最夯的職業)。暗地裡,實是間諜,負責竊取汪精衛與日本人談判的文件給予軍統局。

爾後東窗事發,彭被日本人關押等待槍決,因為脫出無望,相關情治人員已準備跳樓自盡。此時,彭盛木的妻子在周佛海太太協助下,進監獄探望彭盛木,用客家話對他說:「已經開始救人,千萬不要輕生。」

許雪姬表示,吳濁流的《台灣連翹》曾提及彭盛木的妻子找他幫忙,吳濁流想起她曾與周佛海太太去日本觀光,請她趕快去找周佛海太太,所以彭妻才說已經在救人。於是在周佛海的大舅子營救下,彭盛木最早被放出來,其他情治人員半年後才陸續出來。出獄後,彭盛木繼續諜報工作,最終仍被日本人殺害。

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彭盛木妻子和旅券有什麼關係呢?許雪姬表示,沒有旅劵資料,無法知道彭妻名字,因此她猜想,彭盛木一家到上海,妻子必定也有申請。後來果然在旅券中找到彭盛木及妻子、母親、兒子的名字。「旅券可以讓歷史更完整,不然不確認彭妻名字,這段故事無法說服人。」

新竹州旅券下付表( 1928 年),第 3 直行為彭盛木的妻子彭李氏桃妹,旅行地為上海,旅行目的是為了與丈夫住在一起。
圖片來源│臺灣總督府旅券下付表,臺史所檔案館數位典藏

環遊世界也要靠旅券

旅券還能環遊世界,顏國年的《最近歐美旅行記》、杜聰明的《杜聰明博士世界旅遊記》與林獻堂的《環球遊記》皆有記載。

受康有為、梁啟超啟發,林獻堂決定環遊世界、寫遊記。歷經 370 餘天完成這躺旅程,他將前往美國白宮的所思所想,以及看見義大利教堂中的骨頭,思考羅馬怎麼壓迫教會等文史風貌,寫於個人日記中,也寫成「環球遊記」專欄連載於《臺灣民報》、《臺灣新民報》。許雪姬表示,林獻堂也不是一張旅券玩到底,出發前仍須寫明去哪些地方,行經他國還是要簽證通關。

1927 年 11 月 14 日灌園先生日記,紀錄林獻堂父子三人抵達「光明之巴黎」。
圖片來源│灌園先生日記,中研院臺史所檔案館數位典藏

這時你應該想問:以前環遊世界,攜帶行李很麻煩?然而,日治時期旅遊寄行李可能比現在更方便。許雪姬舉例,林獻堂住臺中,要前往上海,他可以在臺中火車站寄行李,人搭車至基隆轉搭船出海,到了上海再憑票領取行李,不用一路自己扛。

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儘管周到,旅券制度仍有漏洞。因為可能有人寫前往廈門,但跑到福州或南京,無法可管。所以原先應隨身攜帶以證明身份的旅券,後來演變成靠岸就得把旅券繳至最近的領事館,變相限制旅客同地進出。

1908 年後,臺灣人前往日本無需再申請渡航證明,要去幾次都可以。所以,腦筋動得快的臺灣人想省掉在臺申請旅券的繁複手續,會先前往日本,再轉至中國。許雪姬說:「這條是最大漏洞」,所以《臺灣總督府警察沿革誌》中記載很多抗日份子都跑到對岸,但在旅券下付表中找不到他們的名字。迂迴渡航雖有懲罰機制,但是罰不勝罰,後來日本政府就睜一隻眼閉一隻眼了。

由日本手抄回台的旅券資料

看似單純的旅券資料,蒐集與彙整過程其實比想像中艱難。日本外交史料館所典藏的旅券資料是作成微捲,使用者必須親自到館調閱微捲,再利用微捲閱讀機閱覽旅券申請的資料。

2005 年開始,許雪姬親自至日本一筆一筆抄寫旅券資料,她說,日本人很有規矩,「連抄寫的鉛筆還要指定,不能用自動鉛筆」。她說,資料不是模糊就是有錯字,或是日治時期的日文跟現在不太一樣。例如比利時,現在縮寫是「比」,但當時翻譯為「白耳義」,所以上面會寫「白」。若有人要前往東南亞小城,這筆申請資料同時會有申請人的中國名字、東南亞當地名字和英文名,許雪姬說:「這時抄寫才要瘋掉」。

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許雪姬初期手抄旅券資料,一筆一筆帶回臺灣。 資料來源│許雪姬

後因主持數位典藏國家型科技計畫其中的「臺灣文史資源海外徵集與國際合作計畫」, 2009 年起,許雪姬再帶領計畫團隊,改為複印方式,但複印一張是日幣 30 元,全印的費用也非常可觀。因此後來考量若在一卷微捲片中收錄臺灣旅券資料數量較多時,就改以複製買回整卷微捲方式,回臺灣再轉製成數位檔案,效果還比較好。不過,王麗蕉表示,有些旅券資料因製作微捲時就模糊不清,必要時,還是得回日本外交史料館拍原件,再放大比對。

建立齊全的旅券資料庫,完整台灣國際交流的圖像

「為了讓更多人取用這些資料,中研院臺史所檔案館正在建置人名索引系統,目前已有近 20 萬筆。」許雪姬表示,臺史所檔案館已將複製回來的 1897 年到 1934 年 3 月的旅券資料,複印並裝訂成冊,開放各界到館查找與閱覽;而日本外交史料館於 2015 年再開放 1934 年 3 月到 1942 年的旅券資料,之後也會納入臺史所檔案館和後續要建置的數位資料庫中。

未來只要輸入名字,就可以看到當時臺灣人申請出國原因、目的地和出生年月日,甚至社會大眾也可以查找自己的祖父母在日治時期有沒有出國。

王麗蕉表示,旅券資料發展出的研究題目很多元,包括電影、農業、戲劇、繪畫等。

透過旅券資料,可看到日治時期臺灣人與國外交流的完整圖像。

雖然有旅券資料,但有些人出國還是沒有留下痕跡,或是從目的地沒辦法判斷人在哪裡落腳。許雪姬表示,可以結合更多史料,讓旅券的發現更有價值。像是跟中國、東北、東南亞往來的商業書信,是理解當時商業網絡的重要史料,例如泰益號文書。或是利用家族歷史、報紙與日記內容,與旅券交互參照。

旅券資料在臺灣史研究扮演重要的節點,不僅可以歸納出旅人輪船航線,例如顏國年的歐美航線圖,更是理解日治時期政經環境、庶民和官員間互動往來的重要文件。許雪姬表示,還有一些旅券資料尚在彙整,特別是日本外交史料館遺缺的 1910 年資料,後來也在《臺灣總督府公文類纂》中發現,許雪姬說「這大概是全世界唯一的資料」。

許雪姬期待,臺史所檔案館將陸續完成最齊全的旅券資料庫,以供大家從「旅券」尋找臺灣史。
攝影│張語辰

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為日治時期臺灣人怎麼用「旅券」?求學求職、環遊世界,泛科學為宣傳推廣執行單位

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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肺部為何會「結疤」?揭開比癌症更致命的「菜瓜布肺」,科學家如何找到破解惡性循環的新契機
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/05/08 ・2041字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作,泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡,乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生;但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視,那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」(IPF),其預後往往不太樂觀,確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先,我們得先破解一個迷思:肺纖維化並不是單一疾病,而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」,腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象,患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕,像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是,IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化,是兩種完全不同的概念。

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IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉 / 圖示來源:shutterstock

肺部為何會變成「菜瓜布」?

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布?這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織,就是肺部間質組織(interstitium)的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍,包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下,肺部損傷後會啟動修復機制,並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內,這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號,導致負責修復工作的「纖維母細胞」(fibroblasts)被過度活化,進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織,最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現,這個過程之所以棘手,在於它是一個「惡性循環」,肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ,它們相互加乘,演變成難以阻斷的強大破壞力。

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雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸,特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外,患有自體免疫疾病(如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎,)的患者,他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人,必須特別警覺。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。/ 圖示來源:shutterstock

打斷惡性循環的挑戰,為何只對抗「纖維化」還不夠?

面對這個不可逆的疾病,醫學界長年束手無策,直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥:Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺,首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而,這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望,卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看,這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題:既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊,那麼,我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略,從而更有效地打斷這個惡性循環?

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找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題,科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素:磷酸二酯酶 4B(PDE4B)

為什麼鎖定它?讓我們看看它的「雙重作用」機制:

  1. 關鍵位置: PDE4B 同時存在於免疫細胞(與發炎有關)與纖維母細胞(與纖維化有關)當中。
  2. 作用機制: PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP(環磷酸腺苷) 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
  3. 雙重抑制: 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性,細胞內的 cAMP 就不會被分解,濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞,同時產生抗發炎抗纖維化的雙重效應。

簡單來說,鎖定並抑制 PDE4B,就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程,有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來,全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗,我們相信,在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後,期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

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最後,我們必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手,雖然現有的治療手段能延緩惡化,但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織,因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。/ 圖示來源:


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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

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。

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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。

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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:

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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。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

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?

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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)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 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。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

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!

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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。

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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。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

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。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,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。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,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。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

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。

陳貴賢強調,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。
圖|研之有物

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。
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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook