隱形斗篷能成真？氣泡水蘊藏著超穎材料！——專訪國立中央大學光電系欒丕綱教授

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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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• 文／許經夌｜中原大學物理系副教授
  中原大學物理系副教授，更為人所知的身分是動漫畫評論團體「傻呼嚕同盟」的 ZERO 老師。自幼被《科學小飛俠》中的大反派物理博士辛格萊爵士所製造的機械鐵獸吸引，因而「誤入歧途」投身物理學界。擅長從熱門動漫中找出有趣的物理問題，曾因「超級英雄的物理學」線上開放課程獲得教學特優教師獎。

你能預測未來的科技嗎？

對於沒有哆啦 A 夢時光機的我們來說，預測未來可是件非常困難的事，但是漫畫家士郎正宗在《攻殼機動隊》這部傑作中做到了！

這部漫畫最早是從 1989 年開始連載的，至今已經超過了 28 個年頭，但是現今看起來不但不過時，其中種種關於未來科技的想像，更可說是在逐漸實現中。

讓士兵像變色龍一樣的「光學迷彩」

翻開漫畫，一開始最讓人印象深刻的，可能就是主角草薙素子在執行暗殺任務時所使用的「光學迷彩」（Optical Camouflage）。迷彩的概念大家應該都不陌生，在軍事上已被廣泛採用，士兵的迷彩服不僅平時看起來帥氣，在戰場上更可融入背景，不易被敵人發現，提高了存活率。

但是，傳統迷彩有著一個大弱點：它的圖案是固定的，一旦環境背景改變了，例如穿著綠色叢林迷彩服的士兵進入了灰濛濛的城鎮中時，就很容易暴露出來，被敵人逮個正著！

而所謂的光學迷彩，就是利用光學的原理，主動地隨著環境改變其表面的顏色與圖案，隨時保持在與背景融合的狀態中，所以又被稱為「主動式迷彩」（Active Camouflage）。這個概念推到極致，也會讓人聯想起《哈利波特》中的「隱形斗篷」（Invisible Cloak）。

要實現光學迷彩，其中的關鍵問題是在於：要如何將「原本應該被身體擋住的背景」重現在身體表面上？

只要能解決這個問題，身體看起來就會有如「透明人」，難以被人發現。東京大學的館暲教授實驗室是這方面研究的先驅，有趣的是，《攻殼機動隊》也正是他們實驗室必讀的參考文獻。他們的設計原理說穿了相當容易理解，就是利用有著高反射特性的材料來製作服裝，然後用攝影機拍攝身體後面的影像，再投影到身體的前方。

這個方法雖然簡單有效，但是目前還難以真正運用在軍事上，因為要讓一位士兵的身影「消失」，就至少得出動一台攝影機及一台投影機跟著他，這也太不實際了吧！

可是隨著科技發展，只要利用裝在身上的微型攝影機取代大型攝影機，並且以軟性顯示器技術來製作可以顯示影像的服裝，取代投影機的投影成像，光學迷彩的實現也許不是那麼遙遠。

也有科學家嘗試以另一個思路來實現光學迷彩：所謂的「透明」，就是光線可以直接穿透而不受阻礙，如果有某種材料能讓光線轉彎而「繞過」物體，那麼該物體看起來就會像是透明的了。

這種可以讓光線大幅度轉彎的材料，就是近年來備受矚目的「超穎材料」（Metamaterial，或譯為「超材料」），它是以奈米科技製作的人造材料，其中的週期性奈米結構，可以讓特定波段的電磁波產生顯著的偏折，而我們熟悉的可見光，其實也是一種電磁波，當然也可以藉由設計恰當的超穎材料加以偏折，現在杜克大學等研究機構已經製作出可使微波、紅外線轉彎的超穎材料，他們也期待未來能將這項技術應用到可見光波段上。

當然，以目前的發展情況看起來，這些光學迷彩的技術就算是成功了，一時之間大概還是難以緊緻化。我們可以開玩笑地說，要做出有如《攻殼機動隊》動漫畫或電影裡的光學迷彩「緊身衣」，以凸顯出穿著者玲瓏有致的好身材，大概會是下一個階段的發展難題。

「腦機介面」：可以意識或是靈魂可以被上傳嗎？

除了光學迷彩之外，《攻殼機動隊》世界中無所不在的「腦機介面」（Brain-Computer Interface）技術，更是預言了當今科技的努力方向。透過腦機介面，人腦可以直接向電腦或機器下達指令，也能直接接收電腦所傳送過來的資訊，甚至能夠透過電腦與網路相連，使自己的意識遨遊在廣大的網路資訊之海。

對於越來越依賴行動裝置及網路的現代人來說，腦機介面如果成真，那可是不得了的方便！

我們只要頭腦動念一想，隨時隨地都可以調閱電腦裡的資料，也能直接喚出電腦進行複雜的計算，更可以即時上網搜尋大量的資訊，與成千上萬的網民交流。這麼一來，傳統教育中的「記憶」與「背誦」就不再重要，人腦的價值可以更發揮在「思考」與「創意」的方向上。

當然，《攻殼機動隊》也預言了這樣「方便」的世界，可能會帶來怎麼樣的麻煩。個人的隱私權會大受影響不說，當電腦病毒或駭客入侵，出問題的可不只是電腦，連人的腦袋都會跟著遭殃，輕則記憶遭到竄改，重則整個大腦神經迴路跟著電腦一起被燒掉！

以腦機介面目前的發展趨勢來看，要達到《攻殼機動隊》所呈現的世界，還有一大段路要走。非侵入式的腦機介面，像是在頭部接上電極所讀取的腦電圖（Electroencephalography, EEG），雖然在醫療上已被廣泛應用，甚至有腦波控制的玩具產品面市，但是其訊號讀取及解析方面仍有許多困難。而侵入式的腦機介面，例如以人工手術的方式植入電極直接與腦部神經相連，或像《攻殼機動隊》漫畫中所想像的，利用微機械（Micromachine, MM）來執行相關的腦機連接手術，除了技術上的難題要克服之外，人類對於「異物」侵入身體的先天性恐懼，更是心理層面上的大障礙。

但還是有許多科學家十分樂觀，他們認為，目前腦機介面發展的最主要應用，就是連接人工裝置（也就是所謂的「義體」或「假體」）去取代原有功能已經喪失的神經或器官，例如使殘障人士藉由仿生義肢、電子耳、電子眼等裝置去重獲運動或感知的能力，長遠來看，這也會是人類對抗老化衰弱的有效手段，企冀永生的人類，未來不但不會排斥這樣的技術，甚至像《攻殼機動隊》中全身「義體化」的生化人（Cyborg）的出現也將是大勢所趨。

就算是全身義體化了，腦細胞也總有一天會衰老，那麼，能不能逐漸地把人腦的功能轉移到電子腦中？甚至把人格與意識也一併轉移過去？沿著腦機融合的話題往前走，就一定要問到人類的終極問題：到底什麼是「生命」？什麼是「靈魂」？

現在的科學對這些問題還沒有解答，甚至對人類意識的運作機制都還搞不大清楚。但是科學界主流的看法是：我們的「意識」（Consciousness），或者你要套用《攻殼機動隊》中的慣用詞，叫它「靈魂」（Ghost）也可以，和我們的腦部神經網路結構密不可分。甚至有學者主張，我們人類思考的根源，推到大腦神經元連結上的電傳導訊號時，是和量子力學中所呈現的隨機現象息息相關的。

如果我們的意識真的是基於量子現象，那麼根據量子力學中的不可複製定理（No-Cloning theorem），我們每一刻的意識與思考都是獨一無二的，不可能複製到別的個體或是轉移到電腦上。就這個觀點來看，《攻殼機動隊》漫畫中所描繪的「靈魂翻印」技術會伴隨著「資訊劣化」現象，也不算是沒有道理的想像呢。

《攻殼機動隊》中充滿了對未來科技的前瞻想像，讓人不得不佩服士郎正宗研讀相關資料的認真態度，以及他天馬行空的想像力。我們沒有時光機，但是藉由《攻殼機動隊》這扇「窗戶」，我們可以窺見未來世界各式各樣可能實現的科技風貌，還真是充滿樂趣的享受啊！

文章轉載自OKAPI，原文為「不是幻想，是真的！《攻殼機動隊》中的未來科技大解析」。文章圖片由臉譜出版社© Shirow Masamune / Kodansha Ltd.提供，更多內容請參考《攻殼機動隊 Complete Box》。

美國研究人員受到光學隱形斗篷（invisible cloak）的啟發，提出一種製造「電子斗篷」（electron cloak）的方法。此裝置是由大小約為電子波長的奈米結構所組成，對於電子形同隱形。此新研究可望用來製作新穎電子元件，且可能有助於發展更佳的熱電材料，以增進能量的捕捉及轉換。

科學家已經成功利用超穎材料（metamaterial）製作出能隱匿物體不受電磁波的偵測的「隱形斗篷」。超穎材料是具有特殊光學性質如負折射率的人造結構。這些結構的排列方式使得入射光波沿著斗蓬周圍行進，並在另一端依原路徑射出，彷彿斗蓬並不存在。相同的原則也適用於聲波，使得斗篷對於聲音同樣具有「隱形」效果。

最近，根據麻省理工學院（MIT） Gang Chen研究團隊的理論計算，相同原理甚至能應用於電子上。他們提出製作電子斗蓬的實際設計方式，作法是將的大小與電子波長相當（此研究中約為10 nm）的殼核奈米微粒（core-shell nanoparticle）結構內嵌於半導體中，而且不會干擾電子的流動。

一般而言，電子會以物質波的型態行進一段距離，直到散射破壞電子的波相位。在這段所謂同調傳輸長度（coherent transport length）的距離內，粒子會展現如振幅疊加（即干涉）之類的波動性。團隊成員Bolin Liao表示，在他們的電子斗篷設計中，這些殼核奈米微粒提供了多重介面來反射電子波。透過仔細調整介面，這些反射波彼此間會產生破壞性干涉，以致於幾乎沒有反射發生。因此，擁有「正確能量」的電子波便能穿過這些奈米微粒結構而不被反射，彷彿路徑上沒有任何障礙物存在。

電子斗篷可以應用在需高電子遷移率的場合，例如半導體電子元件。Chen表示，他們亦能藉此設計新穎電子開關，使其具有對電子「可見」（visible）及「不可見」（invisible）的狀態。此外，電子的散射程度與結構的能量分佈有著相當敏銳的關係，此特性對於需強烈能量相關散射機制的應用有所助益，譬如適合應用於熱電元件中。

該團隊最近正著手打造此殼核奈米微粒電子斗篷，以驗證其理論預測，同時試圖將此概念延伸至低維度結構。詳見Phys. Rev. Lett.｜doi: 10.1103/PhysRevLett.109.126806。

資料來源：Nanostructure could help make electron cloak. NanoTechWeb [Oct 1, 2012]

譯者:Yann-Bor Chen （Texas A&M University-Commerce）
責任編輯:蔡雅芝

轉載自 奈米科學網