防彈衣跟 T 恤一樣輕？用了蜘蛛絲就可能！ ———《追光之旅：你所不知道的同步輻射》

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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本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜簡克志
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

降低碳排還不夠，奈米材料幫你直接減少二氧化碳！

氣候變遷問題日益嚴重，2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份，臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃，世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標，設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員，他的研究專長是奈米能源材料，我們將介紹一種複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），在太陽光照射下，此材料表面發生的氧化還原反應，會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料！

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳？根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據，2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸，而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下，每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤，相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油！

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」，人類活動排放的溫室氣體，已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去，碳排放量可預期將不斷上升，大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示，地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 ^{註 1}，否則將有不可逆的後果，例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此，世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標，並不是說都不排碳了，而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消，達到「淨零」的目標。

要達到淨零的目標，除了尋找與開發減碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下，如果可以像植物一樣，只要照太陽光，就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物，聽起來不錯吧？但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定，要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應？

我們可運用「陽光」與「光催化材料」（又稱光觸媒，photocatalyst），不僅可以減碳，還能產生有價值的碳氫化合物，是一種「一舉兩得」的方法！

光觸媒（光催化）材料是什麼？

在談到光催化材料之前，先複習一下「催化劑」這個概念，催化劑不參與化學反應，但是它讓原先不可能的化學反應變得可行！陳貴賢分享，這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山，經過九彎十八拐的北宜公路；但如今有了「雪山隧道」之後，就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外，催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色！在過去，農作物施肥只有天然氮肥可以使用，產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加，《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面，波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔，用來收集當肥料用的鳥糞。

到了近代，陳貴賢提到在 20 世紀初，德國科學家哈伯（Fritz Haber）透過催化劑，在高溫高壓的條件下，以鐵粉做為催化劑，讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能，人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥，農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」，顧名思義就是協助光化學反應的催化劑，但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於，其化學反應通常發生在固態的表面環境，目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料，你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」，例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能，其實就是照射足夠的光，讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸，這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構，且大幅增加反應的表面積，讓光催化反應更有效率。

陳貴賢：「一個高表面積的奈米粉末，它的表面積可能是薄膜的一萬倍，甚至於十萬倍。」

給你電子，還你原形！光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的？

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳，是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」，氧化反應會失去電子，還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），可以讓二氧化碳還原成甲醇（CH₃OH）和乙醛（CH₃CHO），這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下：

要持續減少二氧化碳，就要持續發生上述還原反應，持續供給電子。不過，我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面？這裡就開始涉及到半導體的核心問題：電子與電洞的產生、分離和傳輸。

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：ZnS／ZIS，是結合兩種奈米半導體材料，透過水熱法合成，將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上，形成 0D-2D 結構的 ZnS／ZIS 複合物，就像製作巧克力豆餅乾，不過要複雜得多。

既然 ZnS／ZIS 是半導體，當受到光照之後，原來的價帶（valence band）電子會被光激發成導帶（conduction band）電子，原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位，就是電洞。電子和電洞的遷移，就是半導體形成電流的原因，因此電子和電洞都稱為「載子」（charge carrier）。

還記得上面的還原反應嗎？

對光催化材料來說，為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇，必須獲得穩定的電子來源，材料內部要迅速補充電子到表面，因此：

照光產生的電荷載子數量越多越好；產生的電子和電洞要傾向分離，分得越遠越好；電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定，首先照光產生的載子要多，就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合，照光產生的電子和電洞很容易復合，一旦復合，等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好，可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS／ZIS 光催化材料，依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99，分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中，ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好，可以有效減少二氧化碳，產生最多的乙醛和甲醇（如下圖）。

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率，陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值（apparent quantum efficiency），用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量，產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後，ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%，量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍！

這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合，因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率，選擇兩種不同的半導體材料組合，讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞，並且把電子送到它該去的材料表面。

此外，使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」，以符合光催化反應的能量門檻，自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後，繼續往 ZIS 跑，光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面，還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快！控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發，陳貴賢提到：「材料低能階，然後光子進來後，把電子激發到高能階去做反應，太陽能電池也是這樣。但是呢，有時候沒那麼剛好，例如激發後的能階不夠高，雖然激發上去了，但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起，電子上去以後又下來，然後再吸收第二個光子上去，那就變得很高了，高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖，如下圖所示，電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發，變成自由電子，接著經過設計完善的材料介面，先降到較低的 ZIS 束縛區，受到第二次光子的激發，再次變成自由電子，跑到光催化材料的表面，和二氧化碳發生還原反應，將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

看看電子走過的路，如果向左歪著頭看，是不是就是一個 Z 字呢？科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」（Direct Z-scheme）。「直接」的意思是，電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程，不需要再經過一個中間地帶，降低電子和電洞復合的機會。

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料，電子可以不需要中間的「轉接站」，直接轉移到另一個材料上呢？這裡也有一個巧思：不同材料之間的「微應變」。

不同材料的晶體排列規律是不一樣的，當兩種材料接在一起時，接面處會發生「晶格不匹配」，也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是，如果我們可以控制微應變（Strain）的程度，就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置，微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能，進而形成一個內部電場，讓電子和電洞更能快速分離，提高光催化效率。

總之，陳貴賢團隊開發的這套材料組合，是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料，可做為未來量產光催化材料的研發設計參考，同時也是減碳的解方之一。

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示，目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域，他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸，有太陽能電池和熱電材料，同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料，以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展，因為在 2050 淨零排放之前，有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列，企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果、Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中，台積電為蘋果主要供應商，2020 年也加入 RE100，目前為臺灣再生能源的主要買家。

可以預見，將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求，而能夠減少二氧化碳的光催化材料，也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到，當前光催化材料還在基礎研究階段，目前的人工光合作用效率約 1%，接近大自然效率，而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上，方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調，未來效率提高之後，能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值，不僅轉化後的燃料可以賣錢，處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用，是一種前所未有的概念。

註解

1. 根據 IPCC 的資料，如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內，必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標，同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放，特別是甲烷。

本文由 LOCTITE® 樂泰 委託，泛科學企劃執行。

「結構接合」這個詞雖然很陌生，卻存在於我們四周！

只要能將兩塊材料黏在一起，拿起來不會散掉，都能被稱作「結構接合」，像是傢俱或電器產品上，就有許多螺絲把兩塊零件固定起來，另外，工業上「複合材料」的製作，也是一種「結構接合」，像是自行車、飛機，或手機殼所使用的「碳纖維」，就是將碳纖維纏繞在塑膠上，再用接著劑固定所形成的複合材料。

簡而言之，這就是結構工程師的活兒！

結構接合的三種方法

一般來說，結構接合可以粗分為三種方法。

1. 螺栓（bolting）：也就是傢俱家電上的螺絲釘，用額外零件來把兩塊材料鎖緊，這種作法是最方便的，鑽個洞、鎖進去、大功告成，但最大的問題是受到的應力，會全集中在螺絲的洞口上，就像是你撕開用釘書機釘起來的文件，輕輕一扯，訂書針附近就會裂開，文件就會脫落。

2. 焊接（welding）：兩片金屬或熱塑性塑膠，可以局部加熱使材料熔化再冷卻後固定，或是用熔點較低的「焊料」加熱後直接接合，另外也有不需要加熱到熔點，透過外力敲打來接合的「鍛焊」，日本刀的刀身，是由「刀心」、「刃金」與兩塊「鐵皮」，藉由鍛焊的方式接合在一起。焊接雖然不會像螺栓一樣應力集中在洞口，但也會讓應力集中在焊接線上，此外，也不是所有材料都能用焊接加工。

3. 黏接（Bonding）：用膠水、三秒膠……等「接著劑」塗在兩塊材料的表面，形成「膠體」後黏在一起，好處是不會有上面提到的應力問題，但必須考慮接著劑的適用範圍，因此接著劑有非常多的不同型號，來應對不同材料或使用情境。由於黏接的應力問題最少且使用方便，因此在工業上被大量使用，除了取代原有螺栓與焊接，在「碳纖維」等複合材料製作上，接著劑可說是唯一的解決方案。

怎麼測量接著劑的效果？

測量接著劑的效果，相當於測量膠體什麼時候會斷裂。在材料力學上，通常會討論「拉伸（Tensile）」、「擠壓（Compression）」、「剪切（Shear）」這三種行為，對材料造成的影響。

要測量上述三種情況，我們可以用機器以特定方式，對受測物整體均勻緩慢施力，直到兩片材料分離，就能得到「理論上」膠體能承受的最大力量大小。這種均勻緩慢施力的測量方式，稱為「靜態分析」。

為什麼「靜態分析」得到的結果是「理論上」呢？這是因為真實世界的受力狀況，大多都不是均勻緩慢的。像是撞車就是「非均勻且快速」的衝擊，車子受力會集中在某個點上，且作用時間很短。

而針對接著劑的真實效果，通常會著重討論「膠體被撕開」的狀況，這包含了「劈裂（Cleavage）」與「剝離（Peel）」兩種情況，「劈裂」是撕開較為堅硬的材料時遇到的狀況，而「剝離」則是較有彈性的材料，基於接著材料的彈性差異，膠體斷裂的方式會不一樣。

上圖是劈裂與剝離的示意圖，會發現無論是劈裂還是剝離，膠體的受力都不是均勻的，會全部集中在裂縫邊緣上，我們無法用「靜態分析」來評估膠體的真實狀況，因此必須使用「動態分析」來確認。

經典動態分析—夏比衝擊試驗（Charpy impact test）

動態分析就是更接近真實狀況的分析（廢話），其精隨主要是在分析方法上，靜態分析是做「力」分析，而動態分析則改做「能量」分析，那為什麼改成「能量」分析就能更容易解決真實問題呢？

我們先想一個情況，當你用槌子把釘子釘到木板上時，突然想知道自己對釘子施了多少力。這時，你有兩個方法可以得到答案：

1. 用「力」分析：錄下槌子撞到釘子的過程，分析撞擊過程的受力狀況，包含槌子的運動軌跡、落下的角度、速度改變的過程。
2. 用「能量」分析：透過木板的阻力係數與釘子釘進木板的長度，回推撞擊的力量大小。

大家應該都會選第二種方法來算答案吧？因為比第一種來得簡單！這就是用「能量」的好處，我們可以不用考慮施力方向或運動變化，以更簡單的方式來得到相同的結果。

在動態分析中，最經典的分析方式就是「衝擊試驗」，大家直覺想到的可能是汽車的衝擊試驗，看安全氣囊會不會正常運作或是車體結構的受損狀況，這的確也是動態分析的一種，但今天，我們會從更基礎的夏比衝擊試驗（Charpy impact test）來說起。

夏比衝擊試驗會把左邊的擺錘當作衝擊力的來源，當擺錘拉高到一定高度後（h’），我們就能透過重力位能公式（E_g = mgh），知道他初始的能量是多少（W_h’），而樣本會擺在下方，之後釋放擺錘衝擊樣本。

當樣本被擊破了之後，擺錘會繞到另一邊並有一定的高度（h），透過這個高度我們能知道擺錘殘餘的能量有多少 （W_h），這時只要 W_h’ – W_h，就能得到作用在樣本上的能量有多少了！

衝擊試驗的好處是，我們可以在同樣能量的情況下，透過改變樣本的形狀與撞擊點等條件，模擬出更接近真實的狀況。

LOCTITE® 樂泰：眼見為憑 – Seeing is Believing！

LOCTITE® 樂泰是全球接著劑的龍頭，自開業初期，就秉持著「眼見為憑（Seeing is Believeing）」的理念，不僅在客戶面前直接實驗演示產品效果，更創建了「移動實驗室」，巡迴各地協助客戶分析與排除接著劑的使用問題。

自 1964 年以來 LOCTITE® 樂泰的移動實驗室一直有效地指導客戶和培訓銷售人員 – 拍攝於 Newington, Connecticut （美國康乃狄克州的紐因頓）。

如今 60 年過去，LOCTITE® 樂泰仍秉持著「眼見為憑」的精神，為客戶解決問題。

LOCTITE® 樂泰出品的接著劑，除了有做「膠合收縮測試」，也輔以其他「動態分析」來測試產品特性，幫助客戶快速取得不同材料接合的有效數據，以下是漢高 LOCTITE 樂泰實驗室在  PIDC 塑膠中心發表複合材料的部分實驗結果。

第一部分：碳纖維複合材料的動態測試報告

實驗材料大小為 2.5 x 114.3 x 1.6 mm，材料上下表面貼上「3K 碳纖維製成的 45° 單向布」，每一層碳纖維重（FAW）為 175 g/m²，材料表面粗糙度以算術平均數（Ra）取得的數值為 50 ~ 60 𝜇m。兩片材料以水平的方式上下堆疊，並用 5 種不同的接著劑，接合上下表面。

實驗方法為試驗衝擊，使用擺錘撞擊受測物體的接合處直到材料分開，來測試接著劑的抗衝擊性能，為了數據呈現的易讀性，我們將衝擊能量（Impact Energy）的大小，化約為衝擊參數（Impact index）。

實驗結果分為上接著劑後壓緊接著，中間沒有膠體空隙（Gap 0mm）的藍色數據；以及使用 Spacer 控制，有 0.17mm 的膠體空隙的紅色數據，我們可以發現在 3 號接著劑上，有著最好的抗衝擊性能。

第二部分：可回收熱塑型複合材料的動態測試

實驗材料為長興材料的可回收熱塑型複合材料 —— TP032C – U52。

材料大小為 2.5 x 100 x 1.6 mm，複合材料外部包覆的碳纖維是台麗朗的 TC36P，包覆的碳纖維重（FAW）為 110 g/m²，共包覆 8 層，材料表面粗糙度以算術平均數（Ra）取得的數值為 50 ~ 60 𝜇m。

實驗方法為垂直撞擊，透過改變高度與負重，來控制衝擊能量大小。

實驗結果為 4 號接著劑對可回收熱塑型複合材料的效果最好，但如果我們回頭看接著劑本身的特性，會發現 4 號也許沒有那麼適合，因為 4 號接著劑的固化溫度很高，已經超過熱塑形複材的熱穩定溫度上限，這樣的溫度很可能會讓熱塑型複合材料變形，因此固化溫度較低又有一定強度的 3 號或 1 號接著劑，才會是熱塑型複合材料的首選。

最後，LOCTITE® 樂泰也做了生動有趣的影片，來演示接著劑在不同狀況下的效果。

在影片中，LOCTITE® 樂泰先是用接著劑黏接兩個治具——S45C中碳鋼的單邊，並對有接著劑的單邊進行正向力測試，發現直到 6298 公斤重，都還不會分開，但只要從沒有接著劑的部分拉扯，只要 1124 公斤重，膠體就會剝離破壞。而這也正反映到前面所說的，必須對各種使用情境去做動態分析，才能知道接著劑的真正能耐！

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在《蜘蛛人》系列電影中，蜘蛛人靠著強韌的蜘蛛絲，不僅可以飛簷走壁，還能當成武器來攻擊敵人、拯救世界；現實世界中，蜘蛛靠著蜘蛛絲捕捉獵物、保護自己……，每一根蜘蛛絲都蘊藏著大千世界的無窮奧妙，一直是科學家相當著迷且亟欲破解的自然界奧祕，可說是相當熱門且歷史最悠久的仿生材料研究主題。

蜘蛛絲擁有極高的強度、延展性及韌性，且重量極輕——如果拿蜘蛛絲環繞地球一圈，所需要用到的蛛絲，總重量還不到 500 公克；最重要的是，對科學家來說，蜘蛛絲是純蛋白質，擁有極高的生物相容性，不易產生人體免疫反應，十分適合開發更加多元的應用，包括：軍事科學、醫療生技、紡織、工業等，是極具發展潛力的智慧生物材料。

事實上，早在十幾年前，工研院生醫工程中心（生醫與醫材研究所前身）便研擬將蛛絲基礎科學研究計畫列為前瞻科技計畫之一，由工研院研究員楊正昌、東海大學生命科學系教授卓逸民與國輻中心研究員許火順等人合作，以同步輻射X 光繞射實驗進行台灣人面蜘蛛絲研究，獲得三大發現：

第一，蛛絲耐熱性高，加熱到攝氏 200 度至 300 度時，蛛絲的奈米晶體才會崩解。

第二，蛛絲的粗細大約是頭髮的十分之一，強韌度卻是同重鋼絲的五倍，彈性是尼龍的三倍。

第三，蛛絲輻射狀的主要骨架稱為拖曳線，拖曳線的絲碰到水，長度會收縮為原本的一半，但更有彈性，能像橡皮筋般拉扯，超越多數人造纖維所能達到的程度。

蛛絲的強韌關鍵：蛋白奈米晶體

一根蛛絲上同時擁有兩種蛋白奈米晶體，一種是排列整齊的結晶，另一種是不規則的混亂結晶，堅硬的晶體與柔軟的蛋白質體結合形成複合材料，強化了蛛絲的硬度與韌性，甚至使得蛛絲可以吸收巨大衝擊能量，僅需要極微量便能達到防彈效果，讓防彈衣可以做成如 T 恤般輕便，比現行防彈衣材料克維拉（Kevlar）纖維還要輕。

不過，蜘蛛是肉食動物，無法大量飼養，天然蜘蛛絲受限於產量和製程等因素，產品開發與實際生產仍有不少瓶頸，於是，科學家將蜘蛛絲蛋白基因殖入山羊乳腺細胞、倉鼠、大豆、大腸桿菌或酵母菌的基因，以基因工程方式生產大量蜘蛛絲蛋白，希望開發出比擬天然蛛絲特性的仿生蜘蛛絲。

以台大生科系教授吳亘承為例，他以天然蜘蛛絲纖維做為生醫工程材料，在蛛絲表面重新組裝蛋白質、酵素、抗體等物質，賦予蜘蛛絲纖維嶄新的生物化學功能，應用在動物癌症細胞株純化與分離，並成功將蜘蛛絲蛋白基因殖入大腸桿菌，大量生產蜘蛛絲蛋白，做為各類應用的仿生材料。

高強度纖維已廣泛應用在我們的日常生活，除了碳纖維，芳香族聚醯胺類纖維更因性能優異與形式多樣，成為目前應用最廣、產量最大的纖維，在國防、航太、汽車、能源材料等領域具有不可取代的地位。

譬如，國輻中心研究員莊偉綜、周哲民與遠東新世紀公司合作，開發出新型聚醯胺類纖維材料，具有高強度、質輕、耐高溫且耐化學侵蝕等特質，可以應用在輕航器、大型機具吊掛繩索、海底電纜等項目。

——本文摘自《追光之旅：你所不知道的同步輻射》，2021 年 8 月，天下文化。