實驗就是從失敗中找成功：由大海中找出人類世的蛛絲馬跡──任昊佳專訪

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」。

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本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15 周年而規劃，泛科學企劃執行。

• 2019 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十二屆傑出獎得主
• 本文的採訪時間為 2021 年 1 月 25 日

在採訪李瑩英教授之前，照慣例做了不少功課，但不得不說這是最徒勞無功的一次，因為真的太難了。不過與其說我感到挫折，反倒是覺得興奮，並由衷佩服頂尖數學家在破解宇宙語言上的成就，對這次的採訪也更加期待。

李瑩英是 2019 年第十二屆台灣傑出女科學家獎「傑出獎」得主，在數學領域的成就當然不遜於任何一位過往的得主，但她與其他來自物理、化學、生物等領域的科學家之間，有著「巨大」的差異：她沒有實驗室、沒有任何一台身價不凡的研究設備、甚至連辦公室裡這台桌上型個人蘋果電腦，也只是用來打字寫論文，有或無絲毫不影響她的研究。

「我不太需要電腦去做計算。有的人可能弄的東西是比較複雜，需要幫忙處理複雜的計算。我做的東西大部分是推理，然後想出證明，所以不太需要用到電腦。」李瑩英說得輕鬆。於是我問：如果今天在家族聚餐、吃喜酒、同學會上，被問到「數學家在做什麼」會怎麼回答？她笑著表示，數學家通常可以獨立作業，也不太需要跟非專業者溝通，因此要回答這問題反而比較困難。

從實體到抽象，再回到實體

她說，從一隻羊、兩本書等實體，抽取出「數」，再進行推導，就是數學。「數學會有用，就是因為它抽離出來，不直接連結到事情。」李瑩英表示當科學家研究一樣東西，可能就只對這個東西有用，但數學研究的是共通的規律，只要發現同樣的結構，規律就可以派上用場。

「一開始原始的問題可能出自自然界，但是當提了一個這樣的問題後，我們（數學家）就想說『這是不是共同的現象？還有沒有其他的可能性？它自己本身是不是完整的？』然後越推展越遠，有些人就覺得抽離現實的世界了。」她以「歐氏幾何」為例，其曲率為零，然而若不堅持第五公設，則能推導出曲率為正或負的「非歐幾何」，由此發展出的黎曼幾何就被愛因斯坦用在廣義相對論，描述重力現象。

此外，在量子計算中用到了數學家很熟悉的希爾伯特空間（Hilbert Space）、在物理學應用場論、在密碼學中則用上了數論及橢圓曲線，數學被運用在其他領域的例子屢屢可見。她認為數學就是在實體與抽象之間，與各領域不斷互動。也因此儘管身為純數領域的數學家，李瑩英積極跟外界對話。之前擔任中華民國數學會理事長時（109年～110年），便打算透過網站收集跟呈現數學的有趣應用和案例，希望吸引更多年輕人對數學感興趣。

她認為數學家的訓練讓他們能夠比一般人更快看到問題核心，而且比較嚴謹，就像是學語言學久了會有語感，學數學久了就會有數感。一般觀眾看《天才無限家》這部描寫印度數學家拉馬努金的電影，會被劇中拉馬努金天才般的能力給震撼，但同樣作為數學家，她在電影中看見的是拉馬努金透過不斷不斷地計算、磨練，才將數學能力磨成直覺。令她也心有戚戚。

從數學到物理，再回到數學

雖然李瑩英從小知道自己數理能力好，解題就像遊戲般好玩，讓她享受從不知所以到豁然開朗，但她沒想過會成為數學家。記得升大學選填志願時，她曾在物理跟數學之間猶疑，「因為我都很喜歡」。她認為讀基礎科學打底肯定不會浪費，就算未來要轉到其他方向，如工程跟電資等科系也可以。本來填的第一志願是臺大物理系，不過就在最後一刻被高中同學說服，認為她更適合唸數學，而改選了臺灣大學數學系為第一志願。

念數學系能幹嘛？那時剛上大學的她對職涯沒太大概念，但因為都是自己喜歡的課程，她可說是如魚得水。後來大學畢業的暑假，她動了一場大手術，在復原期間讀了朋友送她的書《近代宇宙觀中的空間與時間》。宇宙的概念及有沒有邊界，是小時候困擾她許久的謎題，書中提到宇宙是一個三維緊緻無邊界的流形，而且還在不斷擴張。數學訓練讓她立刻理解這個說法，並解答了心中被遺忘多年對宇宙邊界的困惑。這再度喚醒她對物理的熱情，並開始閱讀一些物理、特別是數學物理的書籍。她形容當時再次接觸物理的自己「衝勁十足，因為物理把很多東西寫得很吸引人。」

但讀著讀著，她心中又泛起了迷霧。

「從物理書籍的敘述方式，我沒辦法清楚判斷及確認其中什麼是假設、什麼是推論。它全部都混在一起。 」李瑩英認為，相較於混雜的物理，數學非常簡單而清楚。何為定義、何為推理；什麼是對的、什麼是不對的，在數學裡沒有模糊空間；物理則是在迷霧中建構模型，以逼近解釋自然現象的道理。在物理學中，曾經被視為正確理論，還是可能會被推翻或修改，對於正確及論理的要求並不像數學那樣嚴格。雖然再次受到物理吸引，但當她感到兩門學術間文化的差異，她再次做出了選擇。

想要解開更多數學問題的她，越鑽越深。然而要解答任一個數學問題，往往牽一髮動全身，時常得對整個結構、領域、現象都了解透徹，才能得到答案，過程中又會觸發更多問題，為了解答問題還得發展很多工具，接著又引出更多其他問題。「出發點可能只是為了解決一個人類的好奇心，但在過程中往往觸發了很多數學的研究。」她說。

就像李瑩英研究的專長之一為「拉格朗日極小子流形」（minimal Lagrangian submanifold，或譯拉格拉奇極小子流形），其實研究的出發點單純只是因為好奇，她也沒有想到會與物理學上的「超弦理論」（Superstring Theory）有關。「我們原來是從幾何的觀點，把黎曼結構跟辛結構結合起來，我覺得這個子流形有一些很好的性質，會是更自然的代表元，就想去了解這個東西。」她表示物理學家也很厲害，雖然是獨立發展，但與數學家所見略同，才能把拉格朗日極小子流形的研究跟弦論結合。

可以想像，理論物理學家跟數學家都很習慣獨自作業，然而跨域交流的確帶來更多可能，這也成為自 2021 年起身兼國家理論科學中心數學組主任的李瑩英的目標。「我必須說，過去交流都一下子而已，然後又各自忙了。我們希望跟別人多一點合作跟交流，不見得是我自己的研究，而是推動整個數學界跟中心的發展。」她表示。

身兼多職的她，除了會議跟授課，剩下的時間當然還是投入在研究中。每天她都會先上網看看 arXiv.org > 數學 有沒有更新，讀讀新文章，再繼續想自己的問題。當思考極度投入，算著想著就忘記時間是常態。「我有一個合作者是牛津大學的教授，以前去短期訪問他時，每天基本上就是早上 10 點一直談到下午 5 點。討論、提想法，閱讀相關文獻，各自計算論證及思索，然後繼續交流討論。不斷循環，直到柳暗花明找到突破點。」對數學家來說這就是做研究。

在她辦公室，有一塊寫著各種算式的大白板。「有時候需要動手寫下來比較容易看得清楚。」她說她也曾把所有計算及證明寫在許多大張的月曆紙背面，鋪滿地板然後再連起來。據說 Maryam Mirzakhani（第一位，亦是唯一一位得到數學界最高榮譽菲爾茲獎的女性數學家）也會這麼做。這麼說來，儘管數學家不需要大間實驗室擺放各種實驗跟研究設備，但似乎也需要大坪數的辦公室？她開玩笑說：「不見得啦，因為沒辦法走那麼遠。」

從學生到親師，再回到學生

數學需要專心，越是念茲在茲，就越有「感覺」，對於數學家來說是這樣，對學生學習來說也是如此。自 1993 年起，教育部推動「建構式數學」與過往教學有極大差異，在教學現場接續出現許多爭議及問題，也引發許多社會輿論反彈。2000 年左右，眼見九年一貫進入試行，同時接受「建構式數學」的一代進到國中引發爭議，李瑩英與數學界其他憂心的學者一同投入改革，希望能扭轉造成傷害的趨勢，並且解決已經發生的一些問題。她表示，另一個促使她關心這個議題的原因是當時她女兒即將上小學，覺得有必要瞭解女兒即將面臨的教育制度及內容。

在花時間仔細閱讀各版本的建構式數學教材，以及 9 年一貫綱要後，李瑩英發現許多嚴重的問題，因此寫了一些文章發表意見，也和幾位數學界同仁一起去找當時的教育部長黃榮村，提出一些看法、憂慮與建議。後來對於臺灣的數學教育，李瑩英投入許多，從國際比較、綱要修訂、與數學教育界爭辯論述，到後來負責銜接補強計畫，以及擔任國立編譯館教科書審查的主任委員 ，在這 5、6 年期間，她所投入的時間及工作份量，幾乎是一個全職工作。

李瑩英提到：「建構式數學的原來出發點其實蠻好……但是學習一個東西，例如學習語言，首先要有些基本能力，才能談更進階的。而基本能力建立時，需要反覆練習，就像小朋友學說話，要不斷地模仿、不斷地練習。」李瑩英認為當時建構式數學的最大問題是，要求小孩在基本能力還未建立前，就要從嘗試中自己發現規律，例如重新發現加法、乘法、乘法交換律等，學習變得非常瑣碎。

另外，要能教建構式數學，老師也需要有很好的能力，教學方式也要充滿彈性，但在臺灣的環境實在很難實踐。實際發生的狀況常例如學生已經會用乘法了，老師卻要求一定得用「建構式」連加法，學生用乘法明明得出了正確答案，卻還要被打一個大叉。

李瑩英不諱言當時跟提倡建構式數學的數學家之間的確有衝突，但後來還是能彼此合作、尋求共識，最終的方案也吸取了建構式數學的優點，可視為一種「改良式建構式數學」。在當時，除了主持最困難的小學數學綱要修訂，她還接著規劃新舊版綱要的銜接計畫，並擔任教科書審查、確認新版教科書能落實新綱要的要求。整個過程就像是穿著衣服改衣服。

十多年後的此刻，回望當時的努力跟後來的演變，她嘆息說：「我覺得教育改革中比較大的問題是無法累積成果，常常一個新方案就把舊的全部東西打掉，重來一次。雖然大家都花了很大的力氣，但是卻像向量和，不是在直線上累積，而是彼此抵消回到原點。」她認為教育改革最重要的是要先建立一個有效率的平台及機制 ，讓各方意見可以溝通整合、漸進調整，讓大家的努力及正面效益能不斷累積，不應該一味求快、期望某種做法能一體適用。

對於目前的數學教育，李瑩英表示這幾年並未投入時間及精力，僅就過往經驗分享一些想法。例如，每個學生的需求及能力不同，李瑩英認為硬性規定高中數學課程及教學時數並不合宜，她最關注的是要讓真正對數學有興趣及有需求的人能獲得扎實的訓練。她認為現階段臺灣高中數學的訓練，對未來有志往理工科技發展的前端人才並不足夠；與國外相比，許多國家優秀人才的學習其實跑得非常快、也很扎實。另外，許多人批評現在學生面對數學普遍不求理解、無法清楚論述答題。她建議要讓學生養成作題時仔細寫下每一個步驟，同時將理由註解在每一個步驟旁的習慣。如此假以時日一定可以論理清晰，數學功力大增，也不容易犯錯，這也是她國中時數學老師對他們的要求。

「數學是結構性很強的東西，前面不懂，就會影響後面的學習。在學校可能進度比較趕，沒有讓學生照自己的步調把東西學起來……其實不管步調多慢，只要把東西搞懂，就會讓人覺得非常愉快。」她說，學數學的成就感，就來自於從本來不會，到後來能夠想通理解。最大的挫敗感，則來自一直沒辦法掌握，其癥結常常就是前頭有地方漏掉了，卻沒時間補起來。

她在協助修改課綱時，一些家長曾跟李瑩英說他們非常害怕數學，所以對孩子總是一副「你都不要來問我」的態度，這自然影響了孩子對數學的態度。她建議這些家長，陪著孩子重新學，肯定學得會，而當自己對數學的陰霾消散，就會有信心不排斥，也可以跟孩子分享自己以前哪裡搞不懂，以同理心給孩子支持。

當然，李瑩英並不是希望人人都能成為數學家，她也認為無需勉強不擅長的人，硬搞齊頭式教育，徒增痛苦。但數學是人類文化的重要資產，若能夠藉由數學熟悉抽象思考，對未來生活或是往其他理工科發展，都至關重要。畢竟小至看穿保險推銷員話術，大至面對人工智慧時代的各種黑箱演算法，都得仰賴抽象思考。

儘管在目前的中小學教育環境裏要做到因材施教、自訂進度，難度非常高，李瑩英表示已經有學校嘗試做跑班，也就是同一年級可以有不同的進度，讓一些人繼續衝刺、一些人逐步補強。她不認為線上教育是終極解方，因為在中小學階段，面對面與人互動、討論，能夠讓學生懂得去理解別人的思路，在學習上給老師的回饋也更直接。老師也能透過「小老師」制度，讓領先的學生協助落後的學生，同時增加學生的表達及其它綜合能力。

從傑出科學家到研究生，再到高中生

李瑩英記得，小時候的自己就是這樣培養能力。她從小學到中學都常擔任小老師，負責出題且樂在其中。身為數理強的女生，不管是初中時男女合班，或是高中時讀純女校，她都不曾覺得受到刻板印象威脅。對此，她認為老師能不能設法平衡是關鍵，例如在一個班上，若一開始是男生數學比較好、舉手回答舉得很快，漸漸就會變得都是男生在發言；而老師也順水推舟的話，就可能讓班上的女生更不願意表現。當然，在女校也不見得就沒有其他的問題，例如若老師認為班上都是女生，所以教的數學偏簡單，也會讓競爭跟刺激不足。

李瑩英認為數學適合所有對數學有興趣的人，不會因為性別、年齡或階級而有差異。畢竟數學的對跟錯很清楚，而且數學人的個性，通常也不看重那些與數學無關的標籤。

數學也給予研究者很大的時間跟空間彈性，例如她的男性同事就有不少位負起接送小孩的責任。她認為政府可以透過提供優質豐沛托育環境跟養育設施、措施，讓所有人──不只是數學家或科學家──可以在工作與自我實現上更無後顧之憂。以數學家來舉例，若得照料小孩，許多學術會議可能就去不成，因此如果學術會議能提供托育相關措施，便能讓女性與男性都受益，不至於系統性地打壓了某一性別。

「在科技部也是有這樣的現象。女性計畫主持人相對來說比例較低，可能因為在職涯中有幾年專注在家庭，回來時就比較辛苦。因此應該要建立機制，看怎樣鼓勵及扶持，讓不管是男性或是女性，即使有一段時間中斷，還是有機會再投入研究，做出好成果。畢竟要訓練一個人真的很不容易，他們都是國家寶貴的資產。」她表示。

由於先前提到的量子運算、密碼學、人工智慧等熱門領域都高度仰賴數學，各國國安單位、華爾街的金融產業與矽谷的科技業都大量聘用數學家，其他最具發展性的職涯也多半與數學相關（如資料科學家、精算師、統計學家、資訊安全分析師、軟體工程師等）。根據李瑩英掌握到的消息，在國外許多大學一年級主修數學的人數可能多達 400－500 人，然而「在台灣，這個現象還沒有發生。」

像她這樣的數學研究者除了沒有實驗室跟眾多設備以外，相較於其他領域，其實還有一個很大的差異。在其他領域，博士生通常都已能幫老師做研究，但在數學領域裡，即使是博士生，多還在接受教導跟訓練，幫不上老師的忙。因此老師不太能收很多學生，更遑論收高中生來培育，實在是心有餘力不足。

因此，為了降低 “pipe-leaking” ──也就是隨著大學、碩博士、學術工作等階段，女性越來越少的現象，李瑩英認為女性科學家除了到學校演講吸引學生興趣，更應該給予大學生或研究生專業職涯上的協助。傑出學者能給正在抉擇關卡的研究生直接的協助，告訴他們在專業路上如何繼續走、碰到困難可以怎麼做，特別是在女性比較少的領域裏，這些幫助尤為重要。而研究生們也能協助帶領或與年輕學子分享，尤其年紀較為接近對學妹們可能更容易親近，達到力量的加乘效果。

因為頭會怕冷而戴著帽子的她，一談到如何幫助後進，語調雖然溫柔，眼睛卻特別炯炯有神，期望能發揮身為傑出學者更大的價值跟影響力，不怕自找麻煩，看見各種結構的規律，試圖算出最適切的解答。我想，這就是李瑩英的數學家本色吧！

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年，台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想，讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎？妳絕對可以！傑出學姊們在這裡跟妳說：YES！：https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15 周年而規劃，泛科學企劃執行。

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2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

• 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳，畢業自台灣大學植物系，在美國卡內基美隆大學（Carnegie Mellon University, CMU）取得博士，後於加州大學聖地牙哥分校（University of California, San Diego, UCSD）進行博士後研究，研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究，在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院（National Academy of Sciences, NAS）外籍院士（international members）。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機，可能很難立即知道失主是誰，甚至有點摸不著頭緒：因為她手機裡超過 80% 的照片，都是植物。為何會選擇植物作為研究領域？身為中研院分子生物研究所特聘研究員，在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說，這個決定其實「不太科學」，因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇，因為好奇而想要知道更多：許多 love story 都是這樣開始的，而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢？也因為一般人都不夠認識植物，聽不懂植物的細語呢喃，更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家，擔任植物駭客兼翻譯，讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事，從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

分子生物學突破：發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」，大幅提升了糧食生產量，餵飽了激增的地球人口，「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要，然而植物透過什麼機制攝取氮肥？如何調控才能更有效地吸收？蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮，是生物存活的重要元素；從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素，到與遺傳相關的核酸中，都有氮的存在。但對植物來說，要取得氮元素卻出乎意料地困難；大氣的組成中近五分之四為氮氣，但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外，植物只能使用在土壤中非常少量的氮源，吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」，其中又以硝酸鹽為主。

但是，硝酸鹽是帶電離子，無法自行通過脂質構成的細胞膜，那到底植物如何利用硝酸鹽呢？為了解開這個長年來的謎題，蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株，並利用當時最新發展出來的分子生物技術，試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示，這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株，在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現，這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹；卻直到她開始進行博士後研究，伴隨植物分子生物相關技術發展，才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰，因為新技術還不穩固，就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她，決定一邊持續研究氮代謝，一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術，1994 年，蔡宜芳從美國回到台灣，持續研究進一步發現， 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白，除了作為硝酸鹽的「搬運工」，還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中，植物是被動的吸收養分：但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時，植物會主動改變硝酸鹽的運作模式，這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換，因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1，植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度，幫助植物調控基因表現，以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控，在農業領域十分有發展潛力，蔡宜芳的研究進一步轉向，對接實際應用，期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外，她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式，增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失，因此多數的氮肥施放到田間後，植物也往往吸收不了；如果可以改善植物的吸收效率，就能減少施肥的浪費，連帶減少製造氮肥耗用的能源，也讓農作物長得更好。

好消息是，透過基因調控，蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功，並取得相關專利，期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品：好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心，對她來說和植物有關的十萬個為什麼，猶如始終永遠拼不完的大型拼圖，從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子，於是她「追根究柢」（如字面上意義），想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解，往往覺得植物跟動物一點也不同，然而在蔡宜芳看來絕非如此，她表示，已經有研究發現，當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間，植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫，但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示，植物其實都知道，只是用我們不懂的方式在表達，要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

當然研究也不能自己埋頭苦幹，交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年，但回憶起剛建立獨立實驗室的階段，面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題，當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人，被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點，一來一往的思辨與答辯，反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破，是因為被質疑的時候很生氣，可是不能光氣，也要想辦法解決。就在生氣的時候，想出來的方法，最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時，認真地給出言之有物的評論，幫她累積了領域內的信譽，才讓期刊編輯的位置找到了她。

像投稿審稿這般來回思辨的訓練，對科學家的養成非常重要，然而蔡宜芳觀察，科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例，在美國課堂上，老師會要學生先讀一篇論文，接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人，都會把 paper 當作傳世經書在讀，讀懂它就覺得很開心了——要去批評它，我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦，但會痛就代表該變。

她就此改變了思路：面對知識，蔡宜芳要求自己不僅要讀懂，還要有餘力批評它，說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為，科學就是得永遠抱持著質疑的態度，在不疑處有疑，才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面，我也一直在逼學生要去思考」。

而除了好奇心及思辨能力之外，蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她，在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了，革命十次稀鬆平常，如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走？那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力，身為科學界的女性，蔡宜芳認為，自己的成長環境中，性別造成的影響並不大，以她所在的中研院分生所為例，研究人員性別比例很平均。但若深入細究，「無意識偏見」（unconscious bias）仍難以避免。她以自己帶過的學生為例，生科領域在大學時期男女比例大約是各半，但隨著碩士、博士一路往上，男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候，往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先，這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」，成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她，時常是唯一獲獎的女性，而就在接受採訪不久前，她又獲頒一個獎項，直到頒獎當天的照片寄回到所上，「一片黑西裝裡面，就我穿黃色！」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時，也對她苦笑說：「哎，革命尚未成功，同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西，做該做的事情。真正不平的時候，不要安靜不講。」儘管環境仍待改變，蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步，就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥，遇上一位不放棄的科學家兼植物迷，造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣，裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片，請別質疑自己是不是怪怪的，或許妳也將靠著研究，改變世界，這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年，台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想，讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎？妳絕對可以！傑出學姊們在這裡跟妳說：YES!：https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃，泛科學企劃執行。