植物中的有毒成份，尼古丁比氰化物毒性更強！──《改變世界的碳元素》

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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我有超棒的菸草，但你沒有！

法國兒歌〈我有超棒的菸草〉唱道：「我的菸盒裡有超棒的菸草。我有超棒的菸草，你沒有⋯⋯」超棒的！

我們讓天真的孩子知道抽菸能帶來愉悅感（雖然抽菸有害健康），以及要如何輕蔑地挖苦朋友（這菸超棒，但你沒有！）。

傳說這首兒歌的作者是作曲家暨詩人拉泰尼昂（Gabriel-Charles de Lattaignant, 1697–1779），這代表兩件事：當時菸草已經遍布法國，而且是最令人開心的作物之一。

發現菸草的尼古丁

菸草的學名是 Nicotiana tabacum，自十六世紀起引入法國。拉丁文屬名「Nicotiana」的取名緣由並不是因為菸草含有尼古丁（nicotine），正好相反，1828 年人類分離出尼古丁時，使用菸草的學名為這種惡名昭彰的物質命名。

而「Nicotiana」又來自菸草的「發現者」尼柯（Jean Nicot, 1530–1600）。這裡的引號十分必要。

首先，早在歐洲人之前，美洲印第安人自古以來都有使用菸草的習俗。接著，尼柯不是在亞馬遜發現菸草的人，他甚至從來沒離開歐洲！

尼柯只是將菸草引進法國。最後，雖然他享有引入這種害草的光環，但他甚至不是第一個引入菸草的人。他真的不是！尼柯偷走了另一個人的貢獻，真正引入菸草的人是個更富有冒險精神的修士，名字叫做特維（André Thevet, 1516–1592）。

特維才是真正的菸草引入者

特維的貢獻經常遭人遺忘。如果惡名昭彰的尼古丁叫做「特維丁」，那我們可能就比較記得他（不過黃夾竹桃糖苷的法文的確是「特維丁」，得名自拉丁文學名為「Thevetia」 的黃花夾竹桃──命名緣由的確就是特維）。凱撒的該還給凱撒，那特維的也該還給特維。

特維生於 1503 或 1504 年的法國西南小鎮安古蘭⋯⋯也 有可能是 1516 年（畢竟太久以前了，沒有人清楚）。他生於農家。

10 歲時，可憐的特維即便不樂意，仍然被送到修道院，之後成了修士。他曾短暫念過書，但沒念過植物學。很驚人嗎？他的這點缺陷瑕不掩瑜，畢竟他讀了不少名家鉅作，包括亞里士多德和托勒密等等。

此外，他尤其有著強烈的好奇心，十分渴望認識這廣大的世界。這並不意味著他想還俗，只是書籍和旅行都比修道院生活還來得有趣太多了。

如果你去了里約，別忘了帶點菸草回來

他從短程航行開始：義大利、巴勒斯坦、小亞細亞。特維回來時簡直興高采烈，而命運很快又帶給他另一個機會，得以參與一場宏大的冒險。

國王亨利二世派出軍官暨冒險家維爾蓋尼翁（Nicolas Durand de Villegagnon, 1510–1571），希望在巴西建立法國殖民地。

於是我們天真無邪的僧侶特維啟程前往南美洲，但他不是為了參加里約熱內盧的嘉年華，也不是要去度假勝地科帕卡巴納享受日晒，更不是要大跳森巴舞。

要記得，特維是名僧侶，而巴西也只是葡萄牙人在五十年前發現的一個新興地區。而且，新建立的殖民地將命名為「南極法蘭西」（France antarctique）。共有 600 名移民隨著維爾蓋尼翁和特維一起前往新大陸。

特維對他發現的一切事物都感到驚奇不已。他彷彿不停地低聲唱著名曲：「如果你去了里約，不要忘記登高望遠」。

他還將所有的新鮮事物稱為「singularitez」（特維自創的字，與「singularité」〔獨特性〕發音相同且拼寫相似）。

當時仍 是文藝復興時代，人類對世界的認識還相當有限，因而還請各位讀者海涵特維看似幼稚的傳奇行徑。

他履行冒險家的職責，蒐集不少樣本：植物、鳥類、昆蟲，甚至還有印第安人的武器、物品和一件羽毛長袍（當然不是為了嘉年華的扮裝，而是為了學術用途）。

有些人嘲笑不務正業的特維其實最想抱回家的是獎盃。別忘了，他在船上的職務其實是神父，而不是博物學家。但無論如何，他有著觀察入微的靈魂，並且渴望知識。可惜他在新殖民地的時光很快就落幕了⋯⋯

——本文摘自《植物遷徙的非凡冒險》，2023 年 6 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

會召喚捕食者天敵的野菸草

有種名為「漸狹葉菸草」（Nicotiana attenuata）的品種非常特別，具有溝通的能力，還有非常奇特的行為模式。這種菸草在法文稱為「野菸草」或「郊狼菸草」，生長於美國和墨西哥北部。

當毛毛蟲向漸狹葉菸草發動進攻時，這種菸草會向毛毛蟲的天敵發送化學訊息來呼救。真令人驚奇！漸狹葉菸草之所以產生尼古丁，是為了避免害蟲啃食。不過尼古丁並非每次都能發揮作用。

菸草天蛾（Manduca sexta）的幼蟲便是這種菸草的天敵之一，牠們能夠大口吃下足以致人類於死地的尼古丁量，再將尼古丁排泄出來。這種毛毛蟲甚至透過這種方式來躲過狼蛛（Camptocosa parallela）等天敵。

菸草天蛾的幼蟲把口臭當成武器

每次呼吸，菸草天蛾的幼蟲都會排出尼古丁，以臭氣保護自己。換句話說⋯⋯牠把口臭當成防禦武器！

如果你覺得前面的描述已經夠驚人了，底下還有更勁爆的！當漸狹葉菸草遭受毛毛蟲攻擊時，會分泌氣態的揮發性化合物，藉此吸引一種名為「大眼長椿」（Geocoris）的椿象。

這種椿象將為蟲卵及幼蟲帶來生命的終結。這種揮發性化合物的味道和割草後的味道相同。事實上，割草後出現的味道，其實是植物遭攻擊後散發的不特定分子。

2011 年，學者發現漸狹葉菸草只會分泌特定的分子，可以分類為兩種 配置：「同分異構物 Z」和「同分異構物 E」。通常菸草會釋放較多的同分異構物 Z。但毛毛蟲唾液的化合物可以轉化同分異構物 Z 和 E，進而吸引大眼長椿。

野菸草的保命方案不只一種

不過，大眼長椿不會攝食肥大的毛毛蟲。因此，漸狹葉菸草又準備了備案：透過毛狀體（細小的凸起處）分泌毛毛蟲喜愛的甜液，貪吃的蟲隻將因此付出代價，畢竟貪吃是種罪惡。牠們吃下的甜液將讓牠們散發出瓊漿玉液般的美味⋯⋯讓這些毛毛蟲變得更令人垂涎三尺！

這種香味將吸引牠們的天敵──前來大快朵頤的羅紋鬚蟻（Pogonomyrmex rugosus）。這些毛毛蟲彷彿是敢死隊，自己召喚了會將自己生吞活剝的其他昆蟲。

野菸草和菸草天蛾究竟是敵是友

菸草天蛾幼蟲和漸狹葉菸草的關係十分複雜，但這還不是故事的全部！

雖然菸草天蛾幼蟲是漸狹葉菸草的天敵⋯⋯但菸草天蛾的成蟲卻會協助漸狹葉菸草散播種子！這麼說來，菸草天蛾到底是敵是友？漸狹葉菸草陷入了兩難，既不能讓自己被啃食殆盡⋯⋯又不能消滅協助繁殖的菸草天蛾！

此時，一種具有調節機制的物質出現了！漸狹葉菸草的基因 能夠調節揮發性化合物「(E)-α- 香檸檬烯」的產生。白天，葉子會產生這種化合物，以便吸引大眼長椿來消滅菸草天蛾幼蟲。晚上，又由花朵來產生這種化合物，藉以吸引菸草天蛾的成蟲。

大自然可真是無奇不有！我相信漸狹葉菸草的這個特殊策略肯定十分成功！

——本文摘自《惡棍植物：關於刺痛、燃燒、致死植物的驚人故事》，2023 年 6 月，時報出版，未經同意請勿轉載。