「看見」大腦記憶的生成──超解析 3D 層光定位顯微鏡

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

• 作者／顯微觀點
• 本文轉載自顯微觀點《15皮米的視界：開啟材料原子分析新紀元》

在材料科學領域，「解析度」決定了人類理解物質世界的深度。最早期的材料科學家只能觀察晶體形貌，到現在能利用精密儀器直接解析單一原子排列模式，每一次解析度的突破，都重新設定了我們對材料的認知框架。

2025年，來自馬里蘭大學與伊利諾大學香檳分校的研究團隊^[1]，利用電子疊層繞射成像（electron ptychography）技術，成功達到小於 15 皮米（pm，10⁻¹² m）的空間解析度，不僅觀測到單原子級結構變化，更捕捉到低扭角摩爾超晶格的集體振動模式。這項成果不僅更新電子顯微技術的解析度紀錄，也標誌著材料觀測尺度正式進入「原子振動」時代。

原子解析最前線：從「看見結構」到「測量位移」

過去數十年，各種電子顯微技術在解析度競賽中互不相讓，從奈米尺度（nm，10⁻⁹ m）逐步推進至埃米尺度（Å，10^-10 m），並逼近原子動態。材料科學研究的解析度不僅影響影像清晰度，更決定科學家提出問題意識的層次。

典型原子間距約為 200–300 pm，而原子因熱振動、應變或電子交互作用產生的位移，往往僅有數十皮米甚至更小。然而，正是這些微小的動態變化，主導了材料的關鍵性質，例如：電子傳輸行為、晶格應變分布、相變機制、超導或拓樸態形成等重要特性。

當科學家企圖在原子尺度進行影像分析，傳統高解析電子顯微術雖能辨識原子位置，但在量測如此微小位移時，仍受透鏡像差、電子束散射與訊號雜訊限制，多數結果仍需依賴間接推論，而非直接觀測。

15皮米的意義

1皮米等於千分之一奈米，相當於頭髮直徑的萬億分之一，而多數原子半徑為 50–200 皮米。長期以來，TEM（穿透式電子顯微鏡）與 STEM（掃描式穿透電子顯微鏡）已能解析原子排列，但真實材料中的原子並非靜止，而是不斷受到熱振動、局部應變與電子交互作用影響。

當解析度進入15皮米以下，顯微技術開始出現質性轉變：觀測尺度不再只是確認原子「位在何處」，而是量化原子偏離平衡位置的微小移動，甚至辨識由大量原子共同發生的集體振動模式。

此時，電子顯微鏡首次跨越「結構觀測」與「行為量測」之間的界線，從靜態結構分析工具，轉變為原子動態物理行為的觀測平台。

在15皮米觀測尺度下，材料不再被視為固定排列的結構，而是一個持續波動與調整的動態系統。微小原子位移即可改變能帶結構，進而影響導電性、磁性與量子相態形成。過去仰賴理論推測的效應，如今開始透過顯微觀測直接驗證。

什麼是電子疊層成像？

電子疊層成像（electron ptychography）是一種結合電子波動性與計算重建的先進成像技術。

電子的波動性在穿過極薄樣品時會產生相位改變。傳統電子顯微鏡主要利用電子強度成像，而疊層成像則透過「重疊掃描」方式逐點量測樣品，完整記錄繞射資訊，並以演算法重建樣品內部的電子分布及入射電子波的振幅與相位。

其核心技術包含重疊掃描：每次量測相鄰區域時，都會包含部分重疊範圍。以及反演重建演算法，能夠推算電子波如何與樣品交互作用。因此，電子層疊成像本質上是種計算式顯微技術。解析度不完全由透鏡決定，而與資料品質、演算法能力密切相關。

電子疊層成像 vs. 傳統電子顯微鏡

與傳統 TEM 或 STEM 相比，電子疊層成像的特殊之處源自其截然不同的成像方式：傳統電子顯微系統依賴電子透鏡直接觀測，一旦資訊遺失便難以復原。而疊層成像透過大量重疊量測形成資料冗餘，以演算法反推出唯一一致的物理解。

層疊成像時，透鏡像差與部分雜訊所造成的失真，可藉由計算反演修正與補回，形成所謂的「計算補償」。因此，解析度在疊層成像中，是資料品質、取樣密度、計算能力彼此交互而成的結果。

顯微系統的角色，也由傳統的影像獲取，演變為結合量測、運算與模型重建的計算式觀測儀器。

嶄新觀測——摩爾相位振動（Phason）

在低扭角雙層二硒化鎢（WSe₂）材料中，兩層晶格僅約 1–3° 的旋轉，即能形成長週期摩爾超晶格，產生複雜應變場與新型集體振動。這種稱為 phason 的集體滑移模式。不同於聲子的局部振動，屬於超低頻集體激發，其頻率位於次 THz 範圍^[5]，長期難以被直接量測，處於「理論上」存在的狀態。

藉由可達 15 皮米解析度的電子疊層成像，伊利諾大學厄巴納香檳校區的材料工程學家厄德金（E. Ertekin）、黃品珊（音譯。Pinshane Y. Huang）、范德贊德（A. M. van der Zande）與研究團隊在2025年首次成功捕捉phason局部化且具方向性的振動分布，為人類在原子世界的探索立下新里程碑。

Phason的成功觀測，意味著材料科學不再受限於判斷原子位置，開始能夠直接觀察大量原子協同運動，揭露摩爾超晶格中隱藏的低頻動態自由度。

Phason對材料科學的重要性

一般材料的振動模式通常可透過拉曼或紅外光譜量測，但 phason 的特徵波數低於 1 cm⁻¹ ^[5]，遠低於這些光譜技術的解析能力，訊號容易被背景噪訊淹沒。此外，phason 是一種集體滑移模式，空間上高度局部化且方向性明確，而傳統光譜只提供整體平均訊號，無法展現原子層級的位移分布。

電子疊層成像則能直接量測原子位移，使低頻集體模式得以被視覺化並解析空間分布，將材料分析由「平均結構」提升至「局部動態行為」的細緻層次。

在二維材料與量子材料研究中，微小原子位移即可顯著影響電子結構、熱傳導與電性行為等重要材料特質，因此原子級位移場已成為材料科學核心研究對象之一。在摩爾超晶格中，低頻 phason 振動會影響局部應變，進而可能調變平帶（flat band）與強關聯態，提供理解拓撲量子態的動態調變視角。

精準量測原子群體振動模式，將能呈現材料的多種特質：

• 熱穩定性：振動如何影響熱傳導與熱容
• 電子調控：位移場如何重組能帶結構
• 缺陷作用：雜質與邊界如何干擾原子群體的協同振動
• 電子輸運：低頻振動對載子散射與量子輸運的貢獻

材料設計可以從量測結構、測試性能的既有模式，轉向「模擬振動、預測性能」的精準路線，加速開發流程。

對半導體與材料檢測的啟示

電子層疊成像技術的突破，也為高階材料檢測開啟潛在發展方向。

針對介面品質，將能超越觀測形貌，進行原子位移量測，達到原子級界面分析。面對精密元件的缺陷與應變量測，在皮米尺度解析局部應變，能提供更精準的製程回饋。

最後，當顯微系統將超越傳統電子顯微儀器範疇，結合資料處理與演算法，成為智慧分析平台。未來的顯微系統競爭重點，不是專精於非單一性能，而是計算成像與智慧分析整合的整體系統分析能力。

解析度突破 15 皮米，儀器呈現的不只是更清晰的影像，而是能同時理解結構及其動態的材料分析模式。最先進的材料分析平台，能夠精密回報原子的位置，並進一步說明原子如何移動、如何影響元件性能。顯微系統正演進為整合高維資料擷取、即時運算與 AI 分析的計算式平台，加速從研究成果到產業應用的落地整合。

當解析度進入原子振動尺度

在黃品珊等材料工程學家的突破下，電子疊層成像將顯微觀測推向皮米等級，使人類首次能在原子振動尺度理解材料行為。這不僅是儀器性能的提升，更是觀測典範的轉移——原子層級的顯微技術開始從描繪結構，走向量測運動。

原子材料科學正由靜態描述邁入測量動態機制的嶄新階段。對半導體與先進材料產業而言，電子疊層繞射術帶來的原子動態理解能力，將成為高階檢測與智慧分析平台的重要基礎。面對人類的觀測，解析度的疆界持續後退；而人類對材料的理解，正開始深入動態的世界。

參考資料

1. Yichao Zhang, Ballal Ahammed, et al. (2025). “Atom-by-atom imaging of moiré phasons with electron ptychography.” Science, 389 (6758), p.423-428. DOI: 10.1126/science.adw7751
   https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw7751
2. “UMD Breakthrough Named Amongst Physics World’s Top 10 of the Year.” Published December 15, 2025, University of Maryland.
   https://mse.umd.edu/news/story/umd-breakthrough-named-amongst-physics-worldrsquos-top-10-of-the-year?utm_source=chatgpt.com
3. 陳震。＜電子層疊繞射成像技術的突破及應用＞，《物理》，北京，2023 V.5.
   https://wuli.iphy.ac.cn/cn/article/pdf/preview/10.7693/wl20230509.pdf
4. 何翰蓁。＜讓鏡中世界不再黑白，電子顯微鏡的全新顯像技術＞，《科學月刊》，台北，2017.
   https://pansci.asia/archives/116644
5. Indrajit Maity, Mit H. Naik, et al. (2020). “ Phonons in twisted transition-metal dichalcogenide bilayers: Ultrasoft phasons and a transition from a superlubric to a pinned phase.” Phys. Rev. Research 2, 013335. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.013335
   https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.013335

• 作者／顯微觀點
• 本文轉載自顯微觀點《影像設施當「自己研究」專訪顯微攝影競賽銀獎温榮崑》

2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎作品，如絢爛煙火綻開的影像，呈現的卻是共軛焦染色的果蠅腸道，透過多通道螢光標記出果蠅腸道細胞與組織的細緻分布。但這幅影像並不是刻意為之，拍攝者温榮崑表示，起初只是為了節省研究資源，在一張玻片上排列最多的樣本，卻意外拍攝出效果不錯的影像。

除了這屆獲得銀獎的作品，温榮崑也曾於2023年參賽，並獲得「優選」。當時，他將拍攝的海拉細胞命名為「James P. Sullivan」——怪獸電力公司裡的那隻「毛怪」蘇利文。不同屆的得獎作品，都展現出他饒富趣味的影像敘事。

無心插柳 拍出趣味作品

温榮崑現職為中央研究院生物化學研究所的研究助技師，為影像核心設施的管理者。這次參賽作品並非他的「研究主題」，而是他在「測試」儀器極限時無心插柳所拍攝出的作品。

「近期所上添購了新的共軛焦顯微鏡，所以來測試看看Z軸堆疊的成效以及動態拍攝究竟能有多快」，温榮崑表示為了能夠更了解機器的功能，因此他會自己製備或使用諮詢的樣本來測試在何不同條件下可以拍到的影像。

排列成環狀的果蠅腸道，除了是讓玻片中承載的樣本最大化，他表示也想看整段腸道不同區段之間的變化。至於影像中的顏色漸層，反映的是果蠅腸道內本身不同腸道細胞的功能分佈以及對氧化壓力（ROS）的不同反應。

這張影像同時標記了三種不同的螢光訊號：DAPI（藍色）標記所有腸道細胞的細胞核，GFP（綠色）表現於特定果蠅腸道幹細胞當中，Phospho-Histone H3（pH3，紅色）則用於觀察腸道幹細胞在氧化壓力下的分裂與增生。「這種漸層只有在把整條腸道拍下來時才看得出來。」

至於2023年的優選作品，温榮崑笑說，這也不是刻意為之，而是當時和影像分析同好討論到色盲友善（Colorblind-friendly）影像套色議題，便試著將不同的顏色套在海拉細胞的影像上。套到青色（Cyan）時覺得很像毛怪，便以此命名參賽。

把管理核心設施當作自己的研究

之所以親自拿樣本測試機器、和研究人員深入討論影像議題，來自於温榮崑對這份工作的理念。管理影像核心設施的温榮崑一開始並非「影像專門」或「光學」相關科系畢業，但一路從大學到研究生時期，他的研究一直都離不開生物影像，並在博士班期間一路以果蠅為主要模式生物進行研究。

接下影像核心設施工作後，温榮崑用「經營者」的角度看待這份工作，刻意拉開各項設備的功能定位，透過明確區分解析度、速度、活細胞適用性等，讓研究人員可以使用最適合的儀器進行研究。

近年，他也和中研院各研究所及台大醫學院等相關影像核心研究單位，共同建立影像分析社群EABIAS（東亞生物影像分析社群），積極與其他核心設施管理者交流經驗。

「這裡就是我的研究」，雖然最後沒有走上教職之路，温榮崑認為擔任研究技師反而可以接觸到各種不同面向的領域，做得更廣、更深，也能持續探索科學與美感交會之處。

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