電子顯微鏡可追蹤石墨烯差排結構

本文由 紐崔萊 委託，泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何？

藥物和營養補充品，似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過，這些關鍵分子，可能無法全部被人體吸收？那該怎麼辦呢？答案或許就在於吸收率！讓我們一起來揭開這個謎團吧！

當我們吞下一顆膠囊時，這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道，與胃液混合，然後被推送到小腸，最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單，但其實充滿了挑戰。

首先，我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解，這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分，它們需要透過油脂的介入才能被吸收，而這個過程相對複雜，吸收率也較低。

你有聽過「藥物遞送系統」嗎？

為了解決這個問題，科學家們開發了許多藥物遞送系統，其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統（Self-Emulsifying Drug Delivery Systems，簡稱 SEDDS），也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑，讓藥物與營養補充品一進到腸道，就形成微細的乳糜微粒，從而提高藥物的吸收率。

還有一點，這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物，在腸道中形成乳糜微粒之後，會經由腸道的淋巴系統吸收，因此可以繞過肝臟的首渡效應，減少損耗，同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物，如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋（Ritonavir），以及緩解心絞痛的硝苯地平（Nifedipine），能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用，SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素，如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA，都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率，從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步，藥品能打破過往的限制，發揮更大的療效，也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現，便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來，隨著科學科技的不斷進步，相信會有更多藥物遞送系統 DDS（Drug Delivery System）問世，為人類健康帶來更多的好處。

本文轉載自顯微觀點

低調的電子產品之母

拆開任何現代電子產品，都可以發現印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）的踪影。從地球外的人造衛星、最新款 iPhone 到傳統桌上型電話，印刷電路板都在其中乘載元件、傳遞訊號，因此也被稱為「電子產品之母」。

臺灣是舉世聞名的 PCB 出口大國，儘管出現廠商逐廉價勞動力外移的趨勢，臺灣企業的市占率依然超過三成，位居全球第一。

在追求精密化、提高良率的產業進步過程中，分析 PCB 切片顯微影像是不可或缺的步驟。要看得細膩真確，則有賴 PCB 樣本製備及影像判讀，兩項需要精密操作、耐心和敏銳判斷力的技術。

從拋光臺到編輯臺

現年 85 歲的白蓉生，是兩岸 PCB 業界備受尊敬的分析技術權威，曾獨立經營《電路板資訊雜誌》8 年，並擔任臺灣電路板協會《電路板季刊》總編輯 25 年。他磨練 PCB 切片檢驗與判讀能力 40 餘年，持續對業界分享他的獨門 PCB 顯微分析心得。

自 1980 年代以來，白蓉生公開發表超過 800 篇圖文並茂的 PCB 檢測技術文章，並擔任國內外重要廠商的技術顧問。他不藏私的經驗分享，促成 PCB 製造商的技術躍進與營業成長。

PCB 檢測過程中，光學顯微檢驗是最為基礎，也提供最多資訊的步驟。進入顯微載物台之前，PCB 需要經過切片取樣、封膠、研磨、拋光、微蝕等步驟。其中切片與研磨、拋光需要格外細緻的操作能力，才能在顯微鏡下呈現清晰平整的切面。

良好的 PCB 切片樣本，可以將整個切面維持在同一個焦平面，均勻呈現孔道的鍍銅品質、不同金屬間介面的良窳，整個水平面上的顯微景觀都維持清晰對焦。透過尋找細微瑕疵，來改進 PCB 的製造過程。

「在放大 1000 倍、3000 倍後，都可以維持切面對焦的樣本，才是合格的切片樣本。」

—在每一篇技術文章都分享數十張顯微影像的白蓉生如此強調。

精細樣本製備與多重顯微技巧

白蓉生以業界檢驗分級 QC（Quality Control, 品質管理）, QA（Quality Assurance, 品質保證）, FA（Failure Analysis，故障分析）為案例，「合格的 FA，追求整個切片視野的焦聚一致，一覽無遺。一般 QC 或 QA 人員，慣於接受觀察球面樣品，對於看不清楚的部分不了了之。」

他指出，業界常見的球面切片無法得到清晰的全面影像，是研磨與拋光的技術與耐心不足。焦點起伏不定的切面無法展現細節中的魔鬼，工程師自然也無法精進製程、更換材料以祛除瑕疵，。

現任職欣興電子技術顧問的白蓉生，在廠內建立 FA 切片師的培訓與考試機制，30 年來僅有 20 多人合格。製備合格切片之後，影像判讀是分析製程的必須能力，因此白蓉生設立與 FA 切片師並行的 FA 判讀師制度，迄今也只有 20 多人合格。

白蓉生感嘆，「切片與判讀都需要下苦功練習，30 年來只有 3 個人獲得切片師與判讀師雙料合格。」

—來向他學習切片與判讀技術的，往往是 PCB 業界的資深工匠或管理階級，要放下既有經驗與身段並不容易。

白蓉生笑說，「來學切片判讀的，常常是經理或副理，對專業經驗自視甚高。但他們所學愈深，就愈是謙遜。登堂入室，才發現前方學海無涯。」

隨著顯微技術演進，業界流行使用電子顯微鏡觀察切片，認為看愈小愈好。白蓉生卻堅持以光學顯微影像作為判讀依據。因為在電子顯微鏡下，只有黑白影像，無法利用顏色分辨不同材質。

白蓉生說「用電顯判讀的結果，無法分析顏色。我認為都是胡說，像是文盲在看書。儘管能看到很小的顆粒，分析人員也只能看著黑白影像說：『那是雜質』。」

切換明視野、暗視野、偏光干涉等光學技術，再搭配透視與立體顯微鏡的組合，PCB 切片中不同金屬在白蓉生鏡下呈現明顯對比，相同金屬也會因為歷經不同處理而呈現不同顏色。電鍍銅與化學銅的差異、電鍍與焊接的品質，都在白蓉生的顯微影像中一覽無遺。

領導業界規格 畢生追求精進

除了基本的明場自然光，白蓉生也分享他常用的顯微技巧：以明場光源搭配干涉，在最暗與最亮的偏光下可獲得透視效果。明場兼用偏光與干涉可以使銅面呈現立體效果，且電鍍銅會呈現藍色易於分辨。採用偏光與干涉的單純暗場則能呈現最佳的材質對比效果。

白蓉生強調，「因為能看出金屬介面的細緻型態，我們才能知道技術要如何改進。」

—「而不是把顆粒都標籤為『異物』，說服自己製程、材料很完美，失去進步的機會。」

在白蓉生指引的工藝改革下，原本表現平庸的欣興電子成為精密載板的重要國際供應商。他得意地說，「我們製作的 Daisy Chain 載板佈線連貫強韌，承受 500 次熱漲冷縮測試之後，電阻增加不到 5%。技術紮實到連 Nvidia 這種頂級客戶都大吃一驚。」

欣興電子雇用白蓉生為顧問後，他追求精進的態度製程水準帶來革命般的改變。白蓉生回憶，早先欣興電子的產品良率不到八成，「或許剛好可以維持公司運作，但也無利可圖。」

現在欣興電子的高階 IC 載板良率已穩定超過 9 成 5，股價也成長超過十倍。白蓉生笑說，「我沒有因為公司股票賺錢！我原本就不想要賺大錢，因為錢多了沒用，只是徒增煩惱。」

以紙上技藝傳遞電路板工藝

話雖如此，白蓉生也坦承，「當年創立《電路板資訊雜誌》是生活所需，因為從安培離職，沒工作就沒收入啦！」

從資深工程師轉為科技月刊發行人兼總編輯，白蓉生的生活更加忙碌，全副精神都浸泡在 PCB 技術知識的研讀和傳遞中。

他回憶，當時他自己擔任總編輯兼送報生，手稿交由妻子與另一位打字員處理，在沒有網路的時代，每一期要繳出 5 萬字圖文並茂的稿子。除了努力訪問國內廠商、專家，也要大量編譯國外刊物內容。當年雜誌收入以廣告費為主，每個月可以得到超過 20 份廣告委託，在沒有前例的科技月刊市場上，開拓出意外佳績。

《電路板資訊雜誌》從 1988 年發行至 1996 年，白蓉生在 8 年間自力編譯、採訪、寫作，從早晨六點到午夜睡前，都在蒐集資料、勤奮筆耕。

「我一周六天都在編雜誌，沒有應酬娛樂，也沒請過病假，因為連生病的時間都沒有！」

—月刊生涯的辛勤讓白蓉生難以忘懷。

雜誌停刊之後，白蓉生享受了兩年退休生活，發現自己閒得發慌。他受邀擔任臺灣電路板協會（Taiwan Printed Circuit Association, TPCA）的顧問及《電路板季刊》總編輯，繼續研究、傳授電路板顯微影像的判讀方法，以及細緻的製程改善技巧。

《電路板季刊》迄今已發行 100 期，白蓉生也成為華語世界最重要的電路板知識傳遞者。

懷有珍貴 PCB 分析知識與技術的白蓉生，在兩岸業界深受重視，是各大廠商極力邀請的講師。他的判斷力不是來自學校或公司的教育體系，而是靠著多年來的勤奮自學。

好學、勤奮與謙虛的自我養成

白蓉生說，他少時家貧，因此就讀師範學校以省下學費，還能領錢和白米幫助家境。但師範學校學歷不如一般大學（當時師範學校專門培育小學校教師，僅需 3 年教育），心有不甘的白蓉生在小學任教三年後，考上中興大學化學系，同時擔任小學老師和大學生。

白蓉生在大學畢業後進入中華航空擔任化學工程師，反覆的電鍍工作並未帶給他成就感，他於是轉職美商安培電子（Ampex）。1969 年起，白蓉生在安培電子大量接觸 PCB 製造與檢測的第一線作業，開啟了鑽研 PCB 分析判讀的專業道路。

1969 年，安培電子於桃園設廠，是臺灣 PCB 生產王國的發軔時刻。白蓉生在此接觸到國內最先進的 PCB 工藝。他樂於在下班之後繼續研究檢測材料，探索各種慣例外的顯微方法，逐步建立自己的 PCB 切片檢查技巧。

除了 PCB 製造工藝的獨到見解，對文學的喜愛也是白蓉生筆耕不輟的動力來源。他說，自己求學時力求節儉，一直步行上學，超過 40 分鐘的漫漫路途是他背誦古文的時間，對文學的興趣、寫作的欲望隨著路程逐漸滋長。

對於中年轉行，成立沒有前例可循的專業技術雜誌，白蓉生笑稱，「當初發行頭幾期雜誌就燒完 6 萬塊積蓄，我還真不知道能不能回本。」

從技術專家、顧問到專業刊物總編輯，白蓉生拓展並傳承 PCB 分析工藝將近半世紀。他至今保持30年前「永晝方塊每隨飯，長夜蟹文伴枕眠」的強韌動力，投入 PCB 檢測、寫作與講課，建構低調踏實的臺灣電路板工藝文化。

他認為，電子產業是臺灣立國基礎，業界訓練可以彌補產學落差，但好學、勤奮與謙虛的心態是學校或企業不能代勞的，得要由年輕世代主動保持。端正的學習心態結合不藏私的深入技術指導，能養成更多專業人才，使電路板工藝精進，提升業界整體價值。

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本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜張琬婷
• 責任編輯｜簡克志
• 美術編輯｜蔡宛潔

水能被擠壓成冰？

水在攝氏零度以下會結冰。然而，當水被擠壓到極限時，會形成二維的奈米薄冰，不僅室溫下穩定存在，還有從未見過的鐵電特性（Ferroelectricity），而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員，她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰，以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件，研究成果發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

奈米尺度下，物質特性會跟著改變？

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料，這是奈米科技的領域。奈米是什麼？奈米（nanometer）是長度單位，即 10^-9 公尺，一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下，很多物質的特性會隨之改變，最常見的例子是「蓮花效應」，因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構，為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性，髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

奈米材料（nanomaterial）是指三維尺寸的材料，至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維，就是平面的二維材料（2D），例如石墨烯；縮小兩個維度，就是奈米線（1D）；三維都縮小，就是零維的奈米顆粒（0D）。

奈米科技（nanotechnology）的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼（Richard Feynman）在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢？」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人，他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發，但受限於製造技術不成熟，而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年，在掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）發明之後，不僅有助於材料的微觀分析，操縱單個原子和分子也成為可能，奈米科技也逐漸實現。

無處不在的奈米科技？

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是，從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例：防曬霜之所以是白色，是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒；許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物，來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性，例如汽車鍍膜或奈米光觸媒；羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂，讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業，奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀，以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級，製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」，謝雅萍說道。

實驗中的難題，反而促成驚奇發現？

鐵電性是什麼？二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式？

對謝雅萍來說，發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關，畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目，理論上當兩層石墨烯很靠近時，分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態，沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

然而，實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時，石墨烯開關仍會導通，甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久，嘗試思考了各種可能性，但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目，沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題，因此這個研究比預期多花了一兩年」，謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來，某次謝雅萍在與朋友討論研究時，突然想到一個可能的方向：「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料，但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕，開關關不緊會不會就是水的影響？」

設計實驗跑下去之後，謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來，兩層石墨烯結構中，真的有水分子的存在！「一般水分子用手去捏，還是會維持液體的狀態。但是我們發現，當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時，水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰！」，謝雅萍開心地說道。

換句話說，當極限擠壓之下，水會結成冰，而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料，而且可以在室溫下穩定存在！

鐵電材料乍聽之下很抽象，謝雅萍表示：「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料，大多數人對鐵電材料比較不熟悉，其實概念十分相似」。她說，鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後，即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地，鐵電材料經過外加電場的「極化」之後，即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性，這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列，形成一個永久的電偶極，並且在電場消失後保持不變。

接著，謝雅萍發現，二維冰的鐵電性只存在於單層原子，增加多層原子之後，鐵電性會消失，變成普通的冰，這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰，是非常特殊的固態水，不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定，二維冰可以在室溫下穩定存在，不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現，要升溫到攝氏 80 度，被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度，這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

於是，謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件，他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性，在施加不同外加電壓之後，元件可以維持上次操作的電阻值，並保留至下次操作，有這種特性的元件稱為「憶阻器」（memristor）。

憶阻器這個詞是由記憶體（memory）與電阻（resistor）組合而成，字面上的解釋便是：具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示：「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值，再以微小電壓讀取之前的電阻值，允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料，具備未來記憶體的發展潛能。

此外，二維冰奈米開關也是很好的開關裝置，團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬，開路和斷路的功能極佳，並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減，相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊，並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進，目前實驗室有和台積電（TSMC）合作，希望透過產學合作，將更多奈米技術的應用落地實現。

與二維材料實驗的相遇？

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員，同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人，她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果，創意與想法的激盪和交流，是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期，謝雅萍都在臺大物理所，鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶：「當時我們都要向化學系要材料，他們給什麼我們就得用什麼，但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到，擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫，讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構，進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好，也可以幫助學生建立重要人脈！」在指導教授引薦下，謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院（MIT）的二維材料實驗室，自此與二維材料結下不解之緣，她認為：「好材料與好元件是相輔相成的，前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後，深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作，然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行，學生之間會互相分享自己的研究內容，互相幫忙思考、激盪出新想法」，謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

當年二維材料還在萌芽階段，她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者，她也因此立下了目標：「希望未來我有能力時，能夠自己掌控自己的材料做出好元件！」如今，謝雅萍正走在自己目標的道路上，過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人，直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料，身處這些男性為主的學術環境，謝雅萍顯得自在，而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性，讓自己融入整個以男性居多的環境中，才不會在團體中有突兀的感覺」，她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab，是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室，他們除了是工作上的夥伴，更是人生中的最佳拍檔！當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識，再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是：這種共同主持的模式與一般實驗室相比，是否有特別之處？

「從多個面向而論，我認為都是 1+1>2 的」，謝雅萍說道，「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目，兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻，我們在研究上看的面向也都不一樣，因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充，不僅對實驗室本身而言，對學生也有很大的好處，「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人，代表學生的研究成果會非常扎實，也可以為學生帶來信心。」重要的是，「學生也會得到兩倍的照顧與關愛，我覺得我們的學生是蠻幸福的」，謝雅萍笑笑地說。