CO2 不是廢物！以嶄新材料推進人造光合作用——林麗瓊專訪
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。
2017 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十屆傑出獎得主 在辛亥路側的臺灣大學凝態科學研究中心，曾為中心主任的林麗瓊帶著我們上上下下好幾層樓，如數家珍地說明各設備的能耐，以及學生要如何經過她紮實訓練跟親自審查才能上機。「還有好多，今天沒時間看」，站在她稱為「起家本」的第一台自製反應爐旁，她說當年太貪心，加了多個 Port，增加了殘餘氣體吸附而使樣品被污染的風險。然而這台由她自己設計、自己到工廠請人開模製作的機器，在她細心調教跟利用下，創造了許多研究突破。我們請林麗瓊與這座別具意義的反應爐一起合照，她則邀請在旁的學生 Suman 一起入鏡。
來自伊朗的 Suman 她選擇來台灣學習，一方面是因為台灣是個很安全的地方，另一方面就是因為林教授是很棒的楷模。「那你會在台灣待到什麼時候？」我問，她回說「這要看我什麼時候拿到博士學位。」「那就是要看林教授囉？」「不是，是要看她自己何時取得足夠的進展。」林麗瓊笑著說這句話，也透露出她指導學生的方法：不由上而下決定主題，讓學生自由探索、從好奇心出發。
回到辦公室，林麗瓊從玻璃櫃中拿出一幅裱框的照片，裡頭是朵特別的玫瑰。「本來該長成平的、漂漂亮亮的磊晶，結果長成一朵花。」
林麗瓊教授與我們分享學生的作品——〈Formosa Nano-Rose〉 拿著學生的「作品」，她笑說通常學生若做出這樣的磊晶應該要挨罵才對，然而學生發揮想像力，將奈米尺度的不規則形狀染上玫瑰紅，參加美國材料學會（Materials Research Society）年度的科學即藝術（Science as Art）競賽，拿到首獎，還有外國人寄信來，希望能取得圖片，用來求婚。
在林麗瓊經營帶領下，聚集多國、多領域人才的研究團隊看似和樂輕鬆，其實他們正探索一個可能改變人類未來的終極領域：光觸媒。
光觸媒的莫大潛力 如果要列出如今人類面對的最大挑戰，抑制二氧化碳排放、讓空氣中的二氧化碳量回到 350 ppm 的安全水平以下 ，不讓氣候危機加劇，肯定是其一。（順帶一提：2021 年 的 1 月是 413 ppm 上下。來源 ）
就算逐步淘汰煤炭跟天然氣，改成再生能源發電，我們的生活依舊仰賴大量的石油化學產品，大氣跟海洋中依然有過量的 CO2 ，種樹也難趕上森林被砍伐跟遭野火肆虐的速度。然而林麗瓊另闢蹊徑，從拿手的材料科學著手，正研究如何將二氧化碳還原成低碳氫比燃料，關鍵就在於高效能的光觸媒。
這當然不是林麗瓊一開始就研究的主題。她於 1989 年取得哈佛大學應用物理博士學位後，馬上被美國奇異公司研發總部材料研究中心延攬為終生聘雇研究員，也是當時該研究中心唯一的亞裔女性。那時她加入的團隊裡有物理學家、化學家、電子電機工程師等，研究的主題從飛機引擎到核能電廠五花八門，例如他們開發新型飛機引擎的材料跟設計，讓飛行速度更快、更省燃料。
1994 年回台後，她返台主持凝態中心的尖端材料實驗室。「一開始做鑽石薄膜，後來做奈米碳管、奈米線、石墨烯。」開發這些碳基的低維度奈米材料，並使其展現出新奇特性是她的拿手絕活。既然現在二氧化碳成了眾矢之的，那就換個角度，把它從廢物變寶物吧！
「如果只是要把二氧化碳轉化成低碳氫比的燃料，或是高工業價值的原物料，方式不只有光觸媒，用電催化也可以。」林麗瓊表示電催化成熟度比光催化高，發展歷史久，但是腐蝕容易造成污染，而且 CO2 與水的溶解度低、需要額外耗電，因此不見得是最佳選項。若採用光觸媒，只要將工廠的排氣經過導管收集，將 CO2 分離，進入可以接受光照的反應爐，搭配適當的材料（如金屬氧化物），就能產生光催化效應，把 CO2 變成甲醇、甲烷、乙醇、乙烷、乙醛等。
「關鍵步驟就是那個材料的觸媒，它的催化功能性要夠，那怎樣功能性才會夠？這就有我們做材料的人可以玩的空間。」林麗瓊表示這樣的材料須具備半導體特性，也就是其特有的「能待結構」或「能階」，能接受光子的能量而激發，同時「能隙」不能太大也不能太小。目前已經商用的材料為二氧化鈦 （TiO2 ），然而其吸收光需要 3.2-3.4 電子伏特（eV）的能量，也就是得用波長很短的紫外光，限制了發展。 因此她將重點放在找尋能夠吸收可見光的材料與最佳結構，提升轉化效率。「可能是1.7、1.8（eV）是最好的……就同樣一個材料，它本質可能是 1.5 eV，但位置不對，所以我們就想辦法做一些缺陷工程啊、做一些參雜、複合的結構。」
這樣的材料在吸光後會產生電子電洞對，林麗瓊生動地形容「要活活的」，才能跟二氧化碳與水起反應。意思是說這材料得身兼多職，先吸可見光、然後拆解電子電洞對，傳達到表面後，能接著活化其實很穩定的二氧化碳，再加上水氣才有可能轉化成甲醇等產物。即使是同一個氧化亞銅，他們也發現邊邊角角的活性才高，「所以就有辦法跟 CO2 招手，黏住又不能太黏喔！太黏 CO2 不跑啦！就把活性點通通給蓋住蓋死了。」
為了讓二氧化碳若即若離、欲迎還拒的戲碼能在奈米尺度上演，身為導演兼製作人的林麗瓊與團隊花了大把工夫選角（材料），如今已獲得初步的成果。
「在產量上，雖然還不是很高，但是有機會到 1% 了。假以時日，push 到 10%，應該是有機會」。她表示儘管還需要很多努力，而且後續也還有產物選擇性與分離的課題，但一關一關解，就能將二氧化碳變成原物料，邁向循環經濟「零廢物」的目標。
林麗瓊表示反應過程中的產物分析、以及反應控制的關鍵機制需要徹底釐清，才能知道到底材料的「什麼」在做出貢獻，例如是形狀、是位置、是大小、還是其他性質？她用各種技術來監測，將這過程比喻為「盲人摸象」，得一片一片摸熟了才能前進。雖然離製程成熟跟產業化還有很長的路，她發現這個領域受關注跟投入的程度在全球都大大提升，從她剛開始時一年不超過 50 篇研究，到現在每年破千篇。
從半導體、光電、能源材料、奈米薄膜到光觸媒，研究範圍廣泛的林麗瓊笑稱自己喜新厭舊又隨性，但萬變不離其宗：「我們就是玩材料的，我們玩得很開心啊！」
Welcome to the jungle 外表溫和沈著、說話總是體貼地再三確認我們能否理解的林麗瓊，得過台灣與世界各國的獎項，也曾被選為美國材料學會董事會成員，曾任眾多知名學術期刊、專書的編輯與學術會議的主席，成就非凡。然而正如她研究的光觸媒，對於許多學生來說，她也是一位如光般賦予能量、催化著他們的觸媒。
林麗瓊坦言自己「鍛鍊很久」，努力學習理解各種關係必然遇到障礙，有時轉個彎就撥雲見日的道理。她不會給剛進門下的學生太明確、太細節的題目，而是讓他們先朝一個方向探索看看，約略三個月後再請他們提出 Proposal，她就在這段時間內觀察新學生與其他同學的互動，了解其性格，能力，再依此給出建議。
她將自己在美國奇異公司研發總部任職時學到的團隊合作方式，帶入自己的實驗室。「有的人性格像獅子、有的像兔子。但不能都一直是獅子或兔子」她順著學生的性格，鼓勵其發揮，但也鼓勵他們學習彼此的優點，懂得變換。
她說有些學生活動力很強，坐不住，沒辦法一直待在機器前；反過來有些學生開工之後，一天不去開機就覺得不舒服，連機器壞了也不肯停。但就是這樣不同的性格，獲得了意想不到的發現。雖然有時會建議學生互相合作，但她的安排也不一定成功，反而是讓資深的、主導性強的學生們發展、組隊，結果更好。她則透過每週定期的 Group meeting 發揮觸媒的作用，激發團隊成長。「我關心他們怎麼發展，可是絕對不強迫。有點黏又不會太黏。」她微笑說。
是傑出科技人，也是女人 2017 年得到第十屆「臺灣傑出女科學家獎」時的林麗瓊，已得過科技部傑出獎、教育部學術獎與國際上的諸多不分性別的榮譽，對於冠在科學家獎前的「女」字，很高興能獲得肯定，也自覺要承擔更多責任。然而在 30 年前，類似的經歷曾經困擾過她。
當她被奇異聘為終生職研究員時，她在哈佛的一位韓國同學則失之交臂，扼腕地對她說「都是因為妳是女生啦。」林麗瓊覺得自己夠認真、夠努力，當然有資格加入頂尖的企業。但反過來說，那位韓國同學也很認真、很努力，所以……是臨場表現有差別？還是真的因為她是女性而成了保障名額？
「不瞞你說，這的確是很矛盾、很複雜的一種心理。」她說：「如果只是因為我是女生，這個對我很傷啊！是不是？」後來在物理學會女性工作小組內討論這種「肯定」時，她漸漸想通，認為即使有這種可能，她也要勇敢去爭取，放下不舒服的感覺，不要覺得自己是被憐憫、被施予，而是要當第一個衝破現況者，別人才有機會跟上。
「有一些東西是非常根深蒂固的，男生女生都是這個文化的受害者。」她分享自己剛加入奇異公司的一段經歷：當時懷第二胎的她，發現好幾個月都沒有被分配到任務，也沒有被安排出差到工廠幫現場面臨的挑戰找題目。於是她鼓起勇氣去問經理，經理反而愣住，回答說就是因為知道她懷第二胎，家裡還有一個兩歲孩子，怎麼能讓她做這些又累又辛苦的事？
這樣的善意跟體貼，若說是歧視，林麗瓊認為就太重了，但結果卻幽微地害她投閒置散。於是她向經理明確表示自己先生非常支持，而且有保母能照顧小孩，承接任務沒有問題，才改變了這種不利自己發展的狀況。
「我自己覺得物理並沒有性別的問題，覺得好玩又可以發揮，學科本身不會阻擋女生。那是我們的環境嗎？還是什麼？」物理學界的女性比例「是可怕的低」，林麗瓊說大學部其實有 20-30％ 是女生，研究所也可能還能維持 10-20%，但到教職就不到 5%。她認為這個現象不能簡單歸因，需要抽絲剝繭。舉例來說，由於她與先生（陳貴賢，中研院原子與分子科學研究所研究員）密切合作，剛回國任教提交計畫書審查時，曾被問「貢獻到底在哪裡？」但同樣的問題，她先生卻不會被問。她認為審查者不見得有意打壓，而是文化養成的習慣。要讓其他人知道自己有真功夫，需要一段不短的時間，她已十年沒被這樣問了，但的確成了女生額外要處理的。
得獎後，她參與台灣萊雅與吳健雄學術基金會合辦的高中女性科學教育巡訪計畫，每年都與許多年輕學生面對面交流，座談時間常互動熱烈到讓她趕不上搭車時間。透過這個獎跟活動，能讓許多學生有個學習楷模，提出心中的問題，幫她們去除刻板印象，其實讓她備感欣慰。她甚至因此收了高中生來實驗室實習，但她強調來的高中生得要「玩」、藉實習想像未來的生活，而不是為參加科展得名而來。
對林麗瓊來說，大她四屆，同樣就讀臺大物理系的四姐是最接近的楷模，也因此她學習科學一路以來備受鼓勵而沒受阻礙。另外，曾返台演講的吳健雄則是她朝聖的偶像，曾親睹吳健雄在新竹演講風采的她說自己非常震撼。後來與自己的大哥討論該不該朝物理學邁進時，大哥對她說「吳健雄不就是物理學家嗎？為什麼不呢？」她也因此非常感激。
她給予學生的力量，也承襲自她在哈佛的指導教授 Frans Spaepen 。她記得在考慮該留在哈佛做博後，還是去產業界資源豐沛的實驗室時，Spaepen 教授對林麗瓊說，若她能留下來當博後，他會很高興，但不必將哈佛當作第一或是唯一的選擇，該把握機會到外頭更大的世界看看。這番話讓她至今銘記於心，也一直將這種「不為自己設限」的理念傳達給每一位學生。
「你覺得你的興趣在哪、你的才能在哪，就走走看，不要劃地自限。刻板印象是別人的刻板印象，若連自己都有刻板印象，當然就沒救。」身為物理學界的頂尖女性科學家，林麗瓊參與、籌辦了不少推動女性加入科研領域的工作，例如與物理學會女性工作委員會籌拍《物理好丰采》影片，協助成立臺灣女科技人學會等。她說，每個人有各自的問題，但有些問題有共通性，就該以團體的名義來爭取。
例如她參與的物理學會女性工作委員會曾以團體名義向國科會提案，讓有生產事實的女性研究者在提出研究計畫時，可以將過去七年內的發表成果納入，而不是原本的五年，否則女性研究者很容易因為生兒育女放慢進度而被系統性地歧視、或是擔心可能耽誤發展而乾脆不生育。
林麗瓊認為自己沒有天花板，但她不能代表所有女性研究者，因此「如果有需要去衝破的，一起去衝破吧。」她說。
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。
美國研究人員第一次成功利用多重表面電漿共振（multiple plasmonic resonance）的方法，來增強材料在不同吸收波段的紅外光光譜。這項技術可望廣泛用來探測各種不同的材料結構，其中包含利用不同紅外波段的分子指紋（molecular fingerprint）來探測分子結構。
