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小變化大「紋」章 千變萬化的摩爾紋

顯微觀點_96
・2025/06/19 ・2639字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

你是否也有這樣的經驗?當紗窗與紗窗相疊,會看到兩個窗紗上的線條浮現出波浪般的有趣圖案;抑或是當你拿著相機對著電腦或電視螢幕拍照時,老是出現惱人的鋸齒或水波狀條紋。這些都是摩爾紋(Moiré Pattern),是當兩個週期性結構重疊時產生的現象。

Moiré在法文中是「雲紋」的意思,用來指稱一種紋路類似於水波的紡織品,最早這種紡織品是由絲作成,後來也用棉線或人造纖維來呈現相同的效果。一開始呈現波光的摩爾條紋圖案是將一塊織物壓在另一塊織物上產生,現在多透過稱為軋光(calendering)的加工技術或改變編織物經線和緯線張力而產生。

大多數摩爾紋是由線條組成的圖形產生的,但線條並非絕對必要;只要是兩層具有相似但不完全相同的週期性圖案,可以是直線、曲線、波浪形或任何其他幾何形狀,重疊時所產生視覺干涉都可能形成這樣的視覺效果。而這樣的視覺效果不僅可用於藝術呈現,若仔細探究其原理,還可廣泛應用於精密量測領域,甚至在顯微術的改良上也佔有一席之地。

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摩爾紋最簡單形式是兩組等距平行線的疊加。圖片來源:MOIRÉ PATTERNS. Scientific American, 208(5)。
摩爾紋最簡單形式是兩組等距平行線的疊加。圖 / MOIRÉ PATTERNS. Scientific American208(5)。

摩爾紋最簡單形式是兩組等距平行線的疊加。當一組直線的間距與同一組直線不同時,就會產生由不相交平行線組成的「節拍」變化,間距有所改變。這樣的例子可以在搭車經過垂直平行欄杆時發現:每當較近的欄桿「追上」另一個欄桿的空隙時,會看到線條明顯變寬,產生不同的「節拍」。

當兩組線條間距不同但仍保持平行,摩爾紋的週期可由以下公式計算,

D=d1⋅d2/∣d1−d2∣

其中:

  • D:摩爾紋的間距(放大的效果)
  • d1​ 和 d2:兩組線條的原始間距

而根據計算公式,兩組線條的間距(週期)越接近,放大倍率就越大。

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除了平行線的間距放大效果之外,當一組等距直線與不相交的平行線以小角度相交時,就會出現簡單的摩爾條紋。而當使用光柵並隨著角度轉動,便可以看到不同的條紋,再配合數位影像處理系統,就能用來研究材料的微觀形變。

平行線條隨角度轉動,可以看到不同的圖案。圖片來源:MOIRÉ PATTERNS. Scientific American, 208(5),
平行線條隨角度轉動,可以看到不同的圖案。圖 / MOIRÉ PATTERNS. Scientific American208(5)。

摩爾紋的神奇放大術 解密細微結構

由於摩爾紋可以藉由線條的間距、角度差異改變放大倍率,因此 1874 年英國物理學家瑞利勳爵(Lord Rayleigh)提出可以利用這樣的疊紋現象量測物體的形變量。

摩爾紋的放大效應不僅能讓我們看到更大的圖案,還能讓我們見微觀世界的秘密,也因此摩爾紋也可用來觀察晶體的晶格圖案。

晶格圖案由晶體的旋轉結構產生,任何擾亂這種規律性的錯位都會在圖案中表現出來。其隱含的放大倍率使得人們能夠看到小於單一原子直徑或小於 1 埃單位(Å,10–10 m)的錯位,比電子顯微鏡的解析能力還要高。

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除此之外,摩爾紋對晶體學的研究也可透過分析複雜的方程式來推測晶體結構。晶體結構的不同相位關係相當於改變兩個周期圖形形成摩爾紋,分析重疊晶格所產生的摩爾條紋,就可以推斷晶體的排列方式、缺陷以及其他結構特徵。例如當兩層石墨烯以微小角度扭轉堆疊時,會形成長周期的摩爾超晶格結構;而透過觀察摩爾條紋的周期性和對稱性,就能研究雙層石墨烯的扭角和相應的電子結構特性與超導現象。

摩爾紋的效應也用來改良顯微術。相較於其他超解析顯微術仰賴利用空間或時間調節螢光團的分子狀態,結構化照明顯微鏡(SIM)則是利用具有結構的光柵圖案作為照明源來激發螢光樣品,這些結構圖案與樣本中的細微結構相互作用時會產生摩爾紋。透過改變光柵圖案的相位方向,擷取一系列的影像資訊再加以運算、重建還原出樣本結構,以突破傳統光學極限。

加上摩爾紋的效應僅發生在焦平面上,因此可以達到和共軛焦顯微鏡一樣的光學切片效果,可用於研究有厚度的樣本。雖然這種技術需要收集多張影像,相比於傳統共軛焦顯微鏡需要較長的曝光時間,卻能快速計算完成,因此也適用於研究活細胞的動態行為。

不過,摩爾紋也可能成為困擾,前面提到,當我們對著電腦或電視螢幕拍照時,也常會出現水波狀的線條。這種現象在過去使用底片相機時基本上不會出現,但使用數位相機卻常發生。

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因為底片相機是利用布滿均勻感光粒子的底片一次接收所有光來呈現影像;數位相機的感光元件則是一塊一塊、像網格一樣的接受光線。而除了一般視線所見的線條等幾何圖形疊加會造成摩爾紋外,感光元件像素的空間頻率與影像中條紋的空間頻率接近時也會產生意外的摩爾紋。

攝影時若要避免摩爾紋產生,可以透過調整拍照手法,例如調整拍攝距離、角度,或是製造淺景深的方式讓條紋密集度下降。另外也可使用低通濾鏡(Optical Low Pass Filter, OLPF)屏蔽高頻率光波,達到削弱摩爾紋干擾的效果。

摩爾紋這種看似簡單的視覺現象,但無論是在科學、技術還是藝術領域的應用卻千變萬化,連藝術家也常利用摩爾紋設計視覺藝術作品,讓靜態的圖案隨著觀者的移動而變化,增添互動性。下次在日常生活中觀察到這些奇妙的條紋時,不妨停下腳步感受一下其中奧秘,或是也可拿起麥克筆和塑膠片,從簡單的線條開始,利用摩爾紋創造出更多不可思議的圖案吧!

參考資料:

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
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・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

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重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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