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殷墟考古大發現!走進上古商王的洗澡間,青銅熱水器、去角質小道具

研之有物│中央研究院_96
・2020/08/04 ・4897字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

  • 採訪編輯|劉芝吟;美術編輯|林洵安

殷墟古文物的神秘面紗

「如果你問我,洗澡用冷水還熱水好?不用考慮,當然是熱水澡~」21世紀這段流行歌詞,商王想必也會大力點頭!河南安陽的「殷墟」,在清末出土大量甲骨文,震驚世人,引來大批盜挖。1928 年,中研院歷史語言研究所率先組成考古團隊,進入殷墟。而在這些發掘出土的眾多文物中,就藏著商王盥洗的線索!「研之有物」專訪黃銘崇研究員,帶你一窺上古文物背後的歷史圖像。

中研院,前進殷墟的第一支考古隊

「小時候,我們在阿嬤家的灶台用大鼎煮熱水,上面還有木製的釜蓋。」中研院史語所研究員兼歷史文物陳列館主任黃銘崇,回憶起兒時生活,人們會用附有木蓋的大鼎來煮水。他考察上古文物發現,早在三千多年前,商朝古人很可能已經這麼做!

商人如何煮水?熱水是用來洗澡的嗎?面對「安靜無聲」的古文物,歷史學家是怎麼拼湊推敲出數千年前的圖像?

故事,得從殷墟說起。

殷墟是商朝晚期的王都遺址,也是中國現代考古發掘的搖籃。除了舉世聞名的甲骨文,殷墟還出土眾多銅器、陶器、馬車器、骨器等珍貴文物,件件印證了上古文明的燦爛風華。原本備受質疑的商朝歷史,也由此獲得文物的強力佐證。

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1899 年殷墟甲骨文意外被發現,引來濫掘盜賣,上萬片甲骨被四處私賣。中研院歷史語言研究所 1928 年一創設便展開調查,隨即組成第一支考古團隊進入殷墟,以便保存珍貴的古文物,這是中國首次獨立進行的考古發掘。直到中日戰爭爆發,情況危急,才不得不撤出。

1928 年 8 月,董作賓在小屯村開坑發掘刻字甲骨片。1929 年春天,由李濟主持殷墟發掘工作,中研院史語所開始用近現代考古方法,開探發掘。圖為第十三次發掘全體員工。 圖片來源│中研院歷史語言研究所
中研院史語所前後進行了十五次發掘,直到中日戰爭爆發,日軍不斷進逼,不得不撤出。因為戰亂,這些甲骨和珍貴文物隨人員不斷遷徙。目前約有兩萬五千多片甲骨珍藏於史語所,中研院歷史文物陳列館也設置「殷墟文化區」,讓民眾親眼見識出土文物。 圖片來源│中研院歷史語言研究所

殷墟分成兩大區塊,洹河以南是宮殿宗廟,北邊則是商王陵寢區。洹河北岸共掘出十一座大墓,1400 號大墓是其中之一,墓坑四周連著亞字型墓道,屬於頂級規格。有學者研究,這座陵墓的主人可能是商王武丁。

生前呼風喚雨的君王,也難以確保身後百年之事。「史語所進入殷墟進行考古發掘時,商王墓已幾乎被洗劫一空。」

由於商王墓的地面上會建蓋祭祀用的「宗」,活脫脫就是「盜墓路標指南」,武王克商後,商王陪葬的家當便成為周王賞賜功臣的現成戰利品。直到民初,都不斷有人潛入盜掘。

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所幸盜墓者多半鎖定棺木大坑,考古學者在四周墓道仍發掘出不少文物。其中, 1400 大墓的東墓道就遺留了一組「漏網之魚」:寢小室盂、右勺、龍紋盤、弦紋壺、青銅人面、五件陶磢(音同闖)。

黃銘崇緩緩揭開第一道謎:「這一系列,可能是商王的成套盥洗用具!」

圖片來源│中研院歷史語言研究所

商王的洗澡間:梳洗、刷背、去角質

首先,解謎的關鍵來自寢小室盂的「自我介紹」,器身和蓋都有銘文:寢小室盂。

盂,是商代常見的盛水容器;寢小室意指寢室的洗澡間。這組文物出土自東墓道,而陵墓大多比照王宮來建造,也就是說,當時商王的豪華宮殿中,洗澡間可能位於寢殿東側,這組器物則是澡間裡的盥洗用具。

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弦紋壺用來汲水,類似打水的水桶,兩側可掛繩,吊掛入水中壺身會側倒下來進水。右勺和龍紋盤,則如同水瓢和臉盆,是商代貴族的梳洗套裝組。

想像一下,若現在要拍部寫實版《封神榜》,商王的盥洗二三事劇本就能這麼寫:

奴僕們拿著弦紋壺到河邊或井裡取水後,把水倒入寢小室盂備用。下一幕,一臉倦容的商王走進寢小室,奴僕連忙用勺舀水伺候王清洗,再用盤承接汙水。

那麼,掌心大的陶磢又是做什麼用呢?去角質!沒錯,穿越千年,享受不變!只不過現代人得拿著沐浴刷不求人搓背,古代貴族當然是有奴僕悉心效力。

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商王洗澡,用不用熱水?

以前有句廣告詞:「夏天洗澡,要洗熱水,不洗熱水,洗不乾淨。」現代人工作勞累,滿身疲乏時洗個熱水、泡個溫泉,暖身愜意再放鬆不過了。這種享受,商王也有!

解謎線索二: 商王大墓周圍的祭祀坑。

商人崇信天命、敬懼鬼神,一旦遭逢天災病痛,便會進行占卜祭祀,埋入人牲、器物等祭品以獻祭給鬼神或祖先。商王墓周圍也有好幾座祭祀坑,在商王入葬後,陸續埋入祭品。其中一處墓坑(M1435),史語所發掘出三個鼎。

鼎,是商、周時代普遍的「鍋具」,通常用來烹煮食物,如同今日基隆名產「鼎邊銼」的鼎,也是來自台語的大灶鍋具。既然商人用鼎不稀罕,這三件鼎有什麼特別之處?

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造型、用途皆有玄機。商代鼎多為直身,水桶腰;這三件鼎則是少有的葫蘆狀,受熱面積較大。其中最大件的形式是鼓腹鼎,器身有銘文「溫」,稱為溫鼎。在古代,溫與浴、湯(熱水)密切相關,因此可推測溫鼎是用來燒水;另外兩個單鋬(音同判,把手之意)小鼎則是盛裝、倒取熱水。

這三件鼎是商代非常罕見的「燒熱水用具」。

圖片來源│中研院歷史語言研究所

溫鼎燒水,但熱水就是為了洗熱水澡嗎?比起沐浴,會不會商王更想喝碗熱水暖身?

「邏輯來看不太可能,因為商代飲酒風氣極盛,酒器非常非常多。」黃銘崇解釋,對於嗜酒如命的商人,想要暖身,喝杯酒遠比大費周章煮熱水容易多了。

王與后妃的「熱水器」組

線索三:后妃也有的奢華享受。

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商王武丁有三位妻妾,其中一位后母戊葬在武丁附近,她的墓是歷史學家心中至寶,曾經出土全世界最重量級的青銅鼎,重達 830 多公斤!

后母戊鼎重達 830 餘公斤,是世界最大的青銅器。史語所撤出安陽後由當地人掘出,但因日軍逼近,居民又埋入土中。直至戰後,方鼎重新出土被獻給蔣中正作為 60 歲壽禮。國民黨撤台時,方鼎因過重無法上船,目前收藏於中國國家博物館。 圖片來源│Mlogic

在后母戊的祭祀坑(M229),中國社科院也發掘出一件與「溫鼎」型式相似的鼓腹鼎、附有木蓋,以及帶鋬小鼎,另外還有一具人骨、舀水的斗、兩件陶瓿(音同剖,瓿是商代的高級器具,盛裝熱水用)。

觀察這座祭祀坑,兩個青銅鼎與斗、瓿並放,可以判斷它們屬於同一組用途 ── 再次印證,這些鼎並不是烹煮食物,而是稀有的「熱水器」!

研究之路有時也會收到「天上掉下來的禮物」,黃銘崇透露,這番推敲還意外跳出另一條線索。

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有一回,中國研究單位計畫編輯青銅器全集,希望中研院史語所提供在殷墟發掘的 53 件青銅器資料,黃銘崇比對中方提供的照片,發現與文物館現存資料有些出入。「這是否表示,其實文物館還有另一件館藏?!」

果然,清查後在館內找到另一件單鋬小鼎,原始出土處就在武丁墓另一處祭祀坑(M1380)。這座祭祀坑中還有一件陶瓿、一件斗,以及兩具人骨。

線索一個串一個,就像柯南在連番推理後,突然鏡片反光一閃「原來如此!真相就是……」讓我們把商王、后妃的墓與幾座祭祀坑並列觀察,將以上線索整理一下:

商王不只坐擁奢華的青銅盥洗用具,還能享受高檔熱水澡。大鼓腹鼎、單鋬鼎、勺或斗、瓿,很可能即是王室等級的商代熱水 SPA 組。

比對商王與后母戊的祭祀坑可以推知,大鼓腹鼎、單鋬鼎、陶瓿、斗或勺以及殉葬的奴僕,是王室獨享的熱水澡服務套裝組。 圖片來源│中研院歷史語言研究所、黃銘崇;圖說設計│林洵安

皇家級熱水澡,怎麼洗?以下有請武丁示範:

用溫鼎燒水,再以單鋬鼎舀水(熱水不夠,小鼎也可直接加熱),倒進瓿保存,或倒入寢小室盂混冷水備用。洗澡時,用斗舀出瓿內的熱水,需要搓背享受記得端出陶磢。王要洗手、洗臉,也可以拿勺取出盂中的冷水盥洗,再用盤接好水不四濺。當然,這一系列舒服的梳洗樂事,都少不了奴僕來服侍(幫陪葬人骨 QQ)

圖說設計│劉芝吟、林洵安

皇家熱水 SPA 有多普遍?一般貴族是不是也能享受?很遺憾,就像日本進口的壓縮機,這些盥洗用具非常稀罕。

目前青銅鼎出土超過三千件,但類似的溫鼎全世界只有三件!溫鼎、后母戊的鼓腹鼎之外,另一個收藏於日本,推測原初都是大鼎、木蓋,和臺灣早期灶台上的鼎有些相似。單鋬鼎也極為罕見,武丁墓的陶磢更是僅此一組,商代別無分號。

不小心穿越商代想洗個熱水澡?請先當上王與后吧。

讀到這裡,除了讚歎王室洗澡講究不輸現代人,你或許也會心生疑惑:熱水澡若是無上特權,珍貴的盥洗器具又為什麼是分散陪葬,分批埋入?黃銘崇打趣地模擬三千多年前的情境:

圖說設計│劉芝吟、林洵安

解開上古之謎,考驗邏輯推理、脈絡連結

「以上這些用途、功能、情境,全部都只是我的推測。」黃銘崇直率地說。

別誤會,這絕對不是一篇「做夢文」!我們無法穿越回千年前印證,但歷史學家的上古研究也並非憑空臆測,所有推論皆立基在各種線索的串連。從器物的材質、形貌、出土脈絡,交叉比對,並透過同時代、跨時代的整體脈絡,找出當中的邏輯。黃銘崇強調:

器物反映的是人的思考模式,我們可以從器物間的相似、延續性,推斷出可能的歷史圖像。

當你手上握著一大團混雜糾纏的毛線球,要理出頭緒,唯有慢慢沿著顏色、線路等痕跡,抓出線頭。考據上古文物,歷史學家同樣必須追溯器物的轉變、系譜,縝密尋找演變邏輯,進而推測用途與脈絡關聯。

例如,周代的盂和鑑很相似,許多鑑被誤稱為盂,顯示兩者的用途、型態有所重疊與延續。而鑑很可能是盥洗器皿,由此又能再度找到線索。

過往的研究,通常把每個墓坑、祭祀坑一個個獨立看待,黃銘崇嘗試將不同墓坑、祭祀坑的文物,放入一個更大的共同脈絡思考,提出突破新觀點。他在「歷史學柑仔店」的科普文一刊出,立刻有中國學者來訊請教。

黃銘崇這麼說道:「幾千年前,這些器物是什麼?有什麼用途?沒有任何人能完全確知。但重要的是,我們如何從歷史、物件之間的脈絡,看出邏輯,並且找出有機的連結。」上古商王如何洗澡?洗不洗熱水?都用些什麼器具?看似冷知識的新奇發現,背後其實藏著歷史學者的知識底蘊、研究心血,以及厚實、漫長而細瑣的推理之路。

「文物不只被收藏,更應該共享、共創。」身兼歷史文物陳列館主任的黃銘崇,將研究成果策畫成線上展覽「商王洗澡,要洗熱水!」,隨時能逛展看國寶。秉持知識開放的精神,史語所的七萬多件珍貴藏品,也在中研院開放博物館上提供自由「開箱」,希望透過數位平台,讓更多人認識重量級文物。圖片來源│開放博物館線上展覽畫面

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為《殷墟考古大發現!走進上古商王的洗澡間,青銅熱水器、去角質小道具》,泛科學為宣傳推廣執行單位

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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

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日曬雨淋2000年 古羅馬人的秘密建材
顯微觀點_96
・2026/01/28 ・3508字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自顯微觀點

火山灰掩蓋的龐貝古城中,科學家再度發掘價值非凡的考古地點:一座翻修重建中的民宅,其珍貴之處在於工地現場的工具與建材原料完好封存於西元79年,維蘇威火山爆發的時刻。現代科學家得以利用顯微鏡、能量散射X光譜(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)、立體X光等科技深入分析原料成分,探究古羅馬建築工藝細節。

古羅馬建築物能夠長久矗立,建材韌性是不可或缺的關鍵。散布於帝國領土、綿長堅固的引水道(aqueduct)就是文明遞嬗中備受讚嘆的例子。其中數座引水道經歷修繕,迄今持續運作,西元前19年建立的少女水道(Acqua Vergine)今天依然為羅馬城內的噴泉供應來自20公里外的活水。

現代混凝土(concrete)具備抗壓、廉價、靈活等優點的同時,也有容易龜裂與腐蝕、難以修復等問題。現代高樓大廈需要以混凝土包裹鋼筋,才能達到維持近百年的高強度。尚未掌握鋼筋強化技術的古羅馬建築師,卻能以混凝土建造出核心架構長存超過2000年的大型公共建設,這種差異是材料科學家無法忽視的。

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View Of Great Theatre In Ruins Of Ancient Roman City Pompeii, Campania Region, Naples, Italy
龐貝古城中的大劇院遺跡。Source: Adobe Stock

偽裝成雜質的秘方:石灰塊

近數十年間,材料科學界普遍認為古羅馬混凝土(Roman concrete)原料中的火山灰(pozzolan)是其堅強韌性來源,因為加入水與熟石灰後,火山灰中豐富的二氧化矽(SiO2)與氧化鋁(Al₂O₃)可以形成水合矽鋁酸鈣(C-A-S-H. Hydrated Calcium Aluminosilicate)或水合矽酸鈣(C-S-H. Hydrated Calcium Silicate)膠體,提升羅馬混凝土的強度與耐腐蝕性。

但是,水合矽酸鈣並非羅馬混凝土所特有,今日最常見的混凝土原料「波特蘭水泥(Portland Cement)」就飽含矽酸鹽,與水混合後也能形成強化結構的C-S-H膠體。且現代混凝土也能展現水泥帶來的微弱自癒能力,但波特蘭水泥建成的現代建築,預估壽命大多不到百年,遠不如以穩固穹頂籠罩信徒千年的羅馬萬神殿。

2023年,麻省理工大學(MIT)材料科學家馬西奇(Admir Masic)研究團隊發表對古羅馬建材的成份分析,指出羅馬混凝土中特殊的「石灰塊(lime clasts)」提供了材料自癒能力,可能是古羅馬公共建築屹立不搖的關鍵。

石灰塊在顯微鏡下看來是數毫米大小的白色石塊,過往被材料科學家認為是羅馬混凝土品質控管不嚴的產物,但是馬西奇團隊的目光停留在這些未曾被科學界細究的「雜質」上。

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Eds分析 Sa
以能量散射X光譜檢驗普里維儂的牆壁砂漿,會發現富含鈣質(紅色)的大塊石灰顆粒,周遭則有鈣、硫(黃)形成的環狀自癒痕跡。Source: Source: Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023). CC by 4.0

馬西奇團隊指出,在古羅馬學者維特魯威(Vitruvius)和老普林尼(Pliny the Elder)的記載中,當時對混凝土原料之一的石灰石(limestone, CaCo3 . 碳酸鈣)純化標準相當嚴格,成品必須要呈現純白粉狀。因此他們認為,混凝土中普遍存在的石灰塊不是古羅馬建材商品管鬆散所致,而是刻意加入的材料。

馬西奇團隊前往義大利中部普里維諾(Privernum)的古羅馬遺跡進行採樣,遺跡牆壁使用的砂漿(motar, 水泥混合水與砂礫等材料,比混凝土少了碎石等骨材,其他成分相近)中散佈著比水泥基質顆粒更大的亮白石灰塊。

科學分析 確認熱混合法

透過以能量散射X光譜(EDS)、X光散射、共軛焦拉曼光譜、掃描式電子顯微鏡分析這些構成牆壁近2000年的砂漿,研究團隊發現其中的石灰塊主要以鈣質構成,而且是來自生石灰(CaO, quicklime),現代建築工法已不再將這種材料加入混凝土中。

馬西奇論及,基於史料與現代技術,多數人相信古羅馬建築工使用熟石灰(Ca(OH)2, slacked lime. 氫氧化鈣,來自生石灰加水)混合火山灰、水以及其他骨材形成混凝土,類似現代工法。但透過精密儀器分析樣本成份,他推論古羅馬帝國曾採用熱混合(hot mixing)技術,以生石灰取代/混入熟石灰,與其他材料、水混合製成混凝土。

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在熱混合過程中,生石灰不會全數與水反應產生熟石灰與熱能,部分會形成不均勻分布的細小石灰塊。而這些石灰塊在混凝土乾燥的同時,會經歷表層的水化、擴張,最終碳酸化成為較為穩定的碳酸鈣外層。而石灰塊內層則保持著生石灰(CaO)的狀態與活性。

水流引發雙重自癒機制

石灰塊 Sciadv
石灰塊在古羅馬混凝土中的自癒運作機制。Source: Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023). CC by 4.0

構成建築物的羅馬混凝土若受到強大拉力,產生裂隙,諸多石灰塊的穩定外層很可能隨之裂開,並暴露出飽含生石灰(CaO)的核心。在自然降雨之下,經過石灰塊核心的水流會獲得鈣離子,並使鈣離子與周遭的基質反應,在裂縫中形成碳酸鈣,使裂縫在延伸擴大之前就被填補。

裂縫中飽含鈣離子的水流,也能在混凝土中的火山灰顆粒旁引發火山灰反應(pozzolanic reaction),生成穩固的水化矽鋁酸鈣或水化矽酸鈣,對裂縫產生「癒合」效果,讓整體結構更加強韌。馬西奇稱這種定型後發生的火山灰反應為「後期火山灰反應(post-pozzolanic reaction)」,與製作混凝土的反應作出區別。

馬西奇團隊更採用實驗觀察熱混合技術對古羅馬混凝土和現代混凝土強韌度的影響。他們將不同工法製成的混凝土柱從中分裂,造成5公厘的裂縫,再讓水流持續流經裂縫30天。

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未使用生石灰進行熱混合的混凝土柱,僅出現一般水泥具有的小幅自癒能力,稍稍縮小裂縫。而具有石灰塊的古羅馬混凝土柱,則持續癒合,在水流第20天左右完成自我修復,水流幾乎完全無法通過。

多方驗證 重譯權威史料

古羅馬混凝土驚人的自癒能力引發熱議,並非所有材料科學專家都認同以生石灰為核心的熱混合理論。

更啟人疑竇的是,熱混合法並不符合維特魯威記錄的熟石灰建築工法。他在公元前30年左右著作的《建築十書》(De architectura)是唯一流傳後世的古歐洲建築著作,從文藝復興以來,就缺少足以挑戰其權威的建築史料,遑論馬西奇團隊基於成分分析的理論。

馬西奇團隊為了奠定更強的論證基礎,在2024年前往龐貝古城尋找證據。他們在民宅工地遺跡發現的建材原料,正包含熱混合工法的原料:生石灰與火山灰的乾燥混合物。這些原料與建築工具一起堆放在尚未完成的牆體旁邊,被公元79年噴發的火山灰封存至今。

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馬西奇團隊透過偏振光顯微鏡、電子顯微鏡等分析方法比對乾燥材料堆、未完成的牆體、已完成的牆體,確認了這些預拌的熱混合材料與牆體的混凝土、砂漿成分相符,支持他們的假說:古羅馬帝國龐貝城在公元前79年以熱混合工法製作混凝土。

這項材料科學考古發現不僅補充了古代建築史料的缺漏,也創立了新的建築材料理論,為未來的建築材料提供自癒功能的靈感。或許在數年之內,具備自癒能力、壽命長達上百年的大型建築就會動工。而人們也能期待更加環保、安全、需要遠見的都市規劃。

萬神殿穹頂 Wiki
羅馬萬神殿(Pantheum)穹頂,古羅馬人單純以混凝土建構出如此宏偉結構,並歷久不衰,是現代人依然讚嘆的建築奇蹟。Source: WikiMedia CC BY-SA 4.0

馬西奇團隊透過多樣方法及跨領域探索,穿越時空檢驗了古羅馬熱混合法工藝的假說。他們在遺跡搜索考古證據,以科學分析技術交替分析樣本,更研讀古羅馬史料,發現維特魯威與老普林尼雖然以 ’macerata’ 敘述以水消化生石灰,製作出熟石灰的過程。但維特魯威提及建築結構用的石灰消化過程,會轉而採用 ’extincta’ 一詞。

儘管在文獻中的古代拉丁文 macerata 和 extincta 都被用來指稱「生石灰加水消化為熟石灰」,並未在考古學界與材料學界引起太多注意。但馬西奇團隊懷疑,這種字眼的轉換可能暗示了古羅馬建築結構中的石灰並非來自「先製成熟石灰,再混入水與其他原料」,而是「生石灰直接混入水與其他原料」的熱混合工法。

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就如馬西奇團隊最新論文提及的,即使是古代文獻,也無法盡錄古羅馬從共和時期到帝國時期的建築文化變遷。透過顯微鏡與X光譜等現代科技,搭配古遺跡的妥善保存與發掘,我們今日依然有機會理解千年前的人類,如何利用更有限的科技,達成宏偉巧妙的文明成就。

參考資料

  • Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023).DOI:10.1126/sciadv.add1602
  • Vaserman, E., Weaver, J.C., Hayhow, C. et al. An unfinished Pompeian construction site reveals ancient Roman building technology. Nat Commun 16, 10847 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66634-7
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看得見細胞的紙 蓪草紙見證台灣產業變遷
顯微觀點_96
・2025/12/26 ・2617字 ・閱讀時間約 5 分鐘

你知道透過顯微鏡觀察紙張,其實很難看到完整的細胞樣貌嗎?因為大多數的紙,常經過搗碎「煮成」紙漿後,才壓製成型。因此將紙張放在顯微鏡下觀看,往往只剩植物纖維的網狀結構。然而,有一種紙在顯微鏡下卻能完整呈現植物細胞的形狀,甚至在太陽光下透光觀察,蜂窩般的六角格紋也能一覽無遺。這就是承載台灣經濟社會變遷史的「蓪草紙」。

蓪草紙為什麼能看到細胞?

和一般造紙方法不同,蓪草紙不是將植物打漿後壓製而成,而是取材自蓪草莖髓。工匠將蓪草莖截斷,取出中央白色的髓心,再將蓪草髓心緊壓在盤面,使用裁刀依髓心邊緣滑行,「削出」一張張輕薄的蓪草紙。蓪草紙的厚度則由銅片與盤面間的高低來調整。

因為蓪草紙是直接由莖髓切片製成,細胞結構未被破壞,保留了幾乎完整的細胞,因此當蓪草紙放在顯微鏡下,便能看到完整地細胞型態。

蓪草紙的微細構造
光學顯微鏡下觀察蓪草髓心切面的蓪草紙結構。圖片來源:國家文化記憶庫,林盈宏攝影

蓪草-台灣第一個被正式命名發表的植物

十八、十九世紀中外貿易展開,當時清政府唯一開放對外貿易的港口-廣州開設許多專售外銷水彩畫的商鋪。中國畫家受到西方技法影響,透過精細的分工合作,使用西畫材料在綾絹、蓪草紙等各式媒材上,大量製作帶有中國風土風情的畫作,是當時西方人到中國購買的最佳伴手禮。其中,蓪草紙潔白透明,當時在西方被稱為「米紙(Rice Paper)」。

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由於十九世紀的歐洲正掀起博物學熱潮,除了透過畫作滿足對東方的想像,畫作所使用的媒材也引發西方人的興趣,因此歐洲植物學家開始疑惑:「米紙到底是從什麼植物而來的?」

正式為蓪草紙材料「蓪草」命名的是英國植物學家威廉.虎克(William Hooker)。

他在1830年發表對米紙的初步觀察,但無法確定來源植物。他曾經這樣形容:「如果將這張紙放在眼睛和光線之間,就會發現一種精美絕倫的細胞組織,這是任何人類藝術都無法創造或模仿的」。

其後,虎克仍陸續針對「米紙」進行研究。他於1841年被任命為英國皇家植物園邱園(Kew Garden)園長後,更是動用了所有官方和非官方的聯繫,透過廣州、廈門的商人與外交人員蒐集標本,不斷比對葉、花與莖髓,最終在1852年發表學名為 Aralia papyrifera,暫歸於五加科的五加屬(Aralia)。

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之後德國植物學家卡爾.科赫(Karl Koch)認為蓪草的花瓣、雄蕊和葉片形態與五加科的其他屬及物種相差甚遠,便將其獨立為新屬,改名為 Tetrapanax papyriferus,並沿用至今。

蓪草在台灣的歷史身影

蓪草在東亞其實早已是社會常用、熟悉的植物,並以多種名稱「蓪草」、「通草」、「通脫木」散見於各類典籍。例如中國六朝史料集《建康實錄》便曾記載晉惠帝曾命宮女準備五彩「蓪草」紙花。唐代藥學著作《本草拾遺》中則記錄著「『通脫木』,生山側。葉似萆麻,心中有瓤,輕白可愛,女工取以飾物。」

而虎克則曾經記錄他向長期居住在印度的哈德威克將軍(General Hardwicke)詢問「米紙」事宜。哈德威回復印度當地人將製作「米紙」的植物用於多種用途。他們將最粗的莖切成薄片製作人造花和各種精美裝飾品來裝飾神龕;也利用「米紙」製作帽子。「米紙」的材料對當地漁民來說也非常有用,可以做成適合他們漁網的浮筒。

中國清末因畫在蓪草紙上的外銷畫價格便宜、畫幅小便於攜帶,外銷市場需求日益增加。加上鴉片戰爭爆發後,原本位於廣州的外國行商陸續移到廈門,連帶也帶動台灣的蓪草產業蓬勃發展。

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蓪草在台灣的分布雖遍及全島,但受到氣候、土壤等影響,以新竹以北一帶山區生產的品質最佳,因此過去的新竹可說是蓪草產地的重鎮。

日治時期,日本政府進一步將蓪草列為台灣的重要殖產項目之一,設立農業試驗場改良品種、選定區域推廣栽種,原本野生採集的蓪草變成人工栽培,產量和品質都大幅提升。當時改良的美術蓪草紙被用於製作人造花、婚慶裝飾、扇子、畫材、蓪草卡片等,受到歐美各國的喜愛。

戰後國民政府接收台灣,蓪草製品(如蓪草紙、蓪草花及裝飾品)是重要的出口支柱,以外銷美國市場為主。在「客廳即工廠」的五、六〇年代,蓪草加工製品可說是許多家庭生計的依靠。

可惜隨著石化工業興起,價格低廉的塑膠花取代了蓪草花的製作,重創台灣蓪草產業,新竹的老牌業者金泉發蓪草行也在1972年結束長達約130年的蓪草事業。

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蓪草的產業消長,反映了出台灣社會經濟的轉型過程。現今市面上雖然幾乎已不見蓪草紙的蹤影,年輕世代甚至根本不知道什麼是蓪草,但仍有許多人、組織致力於蓪草文化的推廣,開設工藝課程和工作坊、蒐集史料,盼讓這段歷史重新被看見。

蓪草紙不僅是能「看見細胞的紙」具有其科學趣味,也是一段跨越東西方的博物學探險旅程,更是台灣社會經濟史的一頁篇章。 下次當你拿著蓪草紙透著陽光觀察那一格格清晰的細胞形狀時,相信看見的不只是生物結構,也會看見台灣走入世界科學舞台的起點,以及一段歷經繁榮沒落、正在重生的文化記憶。

蓪草心與蓪草紙
蓪草心與蓪草紙。圖片來源:國家文化記憶庫

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