你知道透過顯微鏡觀察紙張，其實很難看到完整的細胞樣貌嗎？因為大多數的紙，常經過搗碎「煮成」紙漿後，才壓製成型。因此將紙張放在顯微鏡下觀看，往往只剩植物纖維的網狀結構。然而，有一種紙在顯微鏡下卻能完整呈現植物細胞的形狀，甚至在太陽光下透光觀察，蜂窩般的六角格紋也能一覽無遺。這就是承載台灣經濟社會變遷史的「蓪草紙」。

蓪草紙為什麼能看到細胞？

和一般造紙方法不同，蓪草紙不是將植物打漿後壓製而成，而是取材自蓪草莖髓。工匠將蓪草莖截斷，取出中央白色的髓心，再將蓪草髓心緊壓在盤面，使用裁刀依髓心邊緣滑行，「削出」一張張輕薄的蓪草紙。蓪草紙的厚度則由銅片與盤面間的高低來調整。

因為蓪草紙是直接由莖髓切片製成，細胞結構未被破壞，保留了幾乎完整的細胞，因此當蓪草紙放在顯微鏡下，便能看到完整地細胞型態。

蓪草－台灣第一個被正式命名發表的植物

十八、十九世紀中外貿易展開，當時清政府唯一開放對外貿易的港口－廣州開設許多專售外銷水彩畫的商鋪。中國畫家受到西方技法影響，透過精細的分工合作，使用西畫材料在綾絹、蓪草紙等各式媒材上，大量製作帶有中國風土風情的畫作，是當時西方人到中國購買的最佳伴手禮。其中，蓪草紙潔白透明，當時在西方被稱為「米紙（Rice Paper）」。

由於十九世紀的歐洲正掀起博物學熱潮，除了透過畫作滿足對東方的想像，畫作所使用的媒材也引發西方人的興趣，因此歐洲植物學家開始疑惑：「米紙到底是從什麼植物而來的？」

正式為蓪草紙材料「蓪草」命名的是英國植物學家威廉．虎克（William Hooker）。

他在1830年發表對米紙的初步觀察，但無法確定來源植物。他曾經這樣形容：「如果將這張紙放在眼睛和光線之間，就會發現一種精美絕倫的細胞組織，這是任何人類藝術都無法創造或模仿的」。

其後，虎克仍陸續針對「米紙」進行研究。他於1841年被任命為英國皇家植物園邱園（Kew Garden）園長後，更是動用了所有官方和非官方的聯繫，透過廣州、廈門的商人與外交人員蒐集標本，不斷比對葉、花與莖髓，最終在1852年發表學名為 Aralia papyrifera，暫歸於五加科的五加屬（Aralia）。

之後德國植物學家卡爾．科赫（Karl Koch）認為蓪草的花瓣、雄蕊和葉片形態與五加科的其他屬及物種相差甚遠，便將其獨立為新屬，改名為 Tetrapanax papyriferus，並沿用至今。

蓪草在台灣的歷史身影

蓪草在東亞其實早已是社會常用、熟悉的植物，並以多種名稱「蓪草」、「通草」、「通脫木」散見於各類典籍。例如中國六朝史料集《建康實錄》便曾記載晉惠帝曾命宮女準備五彩「蓪草」紙花。唐代藥學著作《本草拾遺》中則記錄著「『通脫木』，生山側。葉似萆麻，心中有瓤，輕白可愛，女工取以飾物。」

而虎克則曾經記錄他向長期居住在印度的哈德威克將軍（General Hardwicke）詢問「米紙」事宜。哈德威回復印度當地人將製作「米紙」的植物用於多種用途。他們將最粗的莖切成薄片製作人造花和各種精美裝飾品來裝飾神龕；也利用「米紙」製作帽子。「米紙」的材料對當地漁民來說也非常有用，可以做成適合他們漁網的浮筒。

中國清末因畫在蓪草紙上的外銷畫價格便宜、畫幅小便於攜帶，外銷市場需求日益增加。加上鴉片戰爭爆發後，原本位於廣州的外國行商陸續移到廈門，連帶也帶動台灣的蓪草產業蓬勃發展。

蓪草在台灣的分布雖遍及全島，但受到氣候、土壤等影響，以新竹以北一帶山區生產的品質最佳，因此過去的新竹可說是蓪草產地的重鎮。

日治時期，日本政府進一步將蓪草列為台灣的重要殖產項目之一，設立農業試驗場改良品種、選定區域推廣栽種，原本野生採集的蓪草變成人工栽培，產量和品質都大幅提升。當時改良的美術蓪草紙被用於製作人造花、婚慶裝飾、扇子、畫材、蓪草卡片等，受到歐美各國的喜愛。

戰後國民政府接收台灣，蓪草製品（如蓪草紙、蓪草花及裝飾品）是重要的出口支柱，以外銷美國市場為主。在「客廳即工廠」的五、六〇年代，蓪草加工製品可說是許多家庭生計的依靠。

可惜隨著石化工業興起，價格低廉的塑膠花取代了蓪草花的製作，重創台灣蓪草產業，新竹的老牌業者金泉發蓪草行也在1972年結束長達約130年的蓪草事業。

蓪草的產業消長，反映了出台灣社會經濟的轉型過程。現今市面上雖然幾乎已不見蓪草紙的蹤影，年輕世代甚至根本不知道什麼是蓪草，但仍有許多人、組織致力於蓪草文化的推廣，開設工藝課程和工作坊、蒐集史料，盼讓這段歷史重新被看見。

蓪草紙不僅是能「看見細胞的紙」具有其科學趣味，也是一段跨越東西方的博物學探險旅程，更是台灣社會經濟史的一頁篇章。 下次當你拿著蓪草紙透著陽光觀察那一格格清晰的細胞形狀時，相信看見的不只是生物結構，也會看見台灣走入世界科學舞台的起點，以及一段歷經繁榮沒落、正在重生的文化記憶。

參考資料：

• Hooker, W.J. (1830). Some account of the substance commonly known under the name of rice paper. Botanical Miscellany, 1, 88-91.
• 劉湘瑤、王國雄（2015）。以蓪草發現史看博物學的探究歷程與知識發展特性。科學教育月刊，(382)，19-31。
• 洪麗雯（2007）。藝術與產業的交會：清末臺灣蓪草之運銷。《臺灣學研究》，4，61–76
• 蓪草女兒張秀美 重現臺灣即將消失的手工紙
• 尋找記憶的缺角系列特展（蓪草）
• 說不盡的蓪情草理｜逐漸失傳的造紙工藝。我們的島1140集（2022-01-17）

延伸閱讀：

馬祖藍眼淚：從海岸奇景到顯微鏡下的祕密

本文轉載自顯微觀點

喜極而泣的淚水、悲傷難過滴下淚水，眼淚表現著人當下的情緒；不僅如此，眼淚更是保護眼睛、避免角膜受傷的關鍵要素。

但你可曾想過，微觀的眼淚長成什麼樣子？科學藝術家透過顯微鏡觀察眼淚，發現人的眼淚居然有著和雪花相似的晶體，且每一滴淚的結晶樣貌都獨一無二，可說是獨特的藝術品。

蘿絲‧林‧費雪（Rose-Lynn Fisher）是一位常駐洛杉磯的美國攝影師，曾用掃描式電子顯微鏡（SEM）的視角捕捉蜜蜂的微觀結構，並以《蜜蜂》（Bee）的照片集聞名。

2008 年費雪因痛失至親，經常落淚。因此有天她突發奇想，如果將眼淚放在顯微鏡下拍攝是什麼樣子？她看到眼淚水分蒸發後呈現結晶排列，如同地球的地形一樣，簡直就像「情感領域的鳥瞰圖」。因此她陸續蒐集 100 份眼淚樣本進行顯微攝影，出版了攝影集《眼淚的地形學》（The Topography of Tears）。

無獨有偶，遠在荷蘭海牙的攝影師莫里斯‧麥克斯（Maurice Mikkers） 也正從事眼淚的顯微攝影，在他的顯微視角下，眼淚結晶則像雪花一般。

莫里斯開始拍攝顯微鏡下的眼淚，始因於 2015 年某天，他重重地踢到桌腳不禁落淚的經驗。

當時莫里斯正在研究雙氯芬酸（Diclofenac），一種非類固醇抗發炎藥的結晶。當他拿著結晶幻燈片從廚房走回辦公室時，腳趾大力地撞到桌子，落淚的那一刻，他腦中想著：「我要拿微量吸管捕捉臉頰上滾落的淚水。」

他將蒐集到的眼淚滴在顯微鏡玻片上，並且透過顯微鏡看見淚水呈現美麗的結晶樣貌。

莫里斯原本也不知道必須使用什麼樣的顯微技術才能「看見」眼淚，一開始嘗試了明視野和偏光照明的方式，雖然都有非常漂亮的結果，但他仍覺得「缺少些什麼」。爾後，他使用了暗視野照明方式。

「我驚呆了！眼淚在黑暗的背景上，形狀就像一個小星球，星球地貌呈現出美麗的圖案和形狀，感覺就像是一顆『眼淚行星』」，莫里斯這麼說道。

莫里斯也試著探究為何眼淚在顯微鏡下呈現的結晶樣貌各有不同。不過，雖然推測受淚液的組成影響，其中包含水、脂質、葡萄糖、粘蛋白、乳鐵蛋白、淚蛋白、免疫球蛋白、尿素、鈉、鉀、氯、錳和溶菌酶等；甚至情緒性的眼淚還包含催乳素、促腎上腺皮質激素。

此外，莫里斯透過親友和計畫募集三種類型的淚水。第一種是用於潤滑的「基礎型淚水」（basal），透過看著電扇、通風器等，睜眼 60 秒以上且不眨眼的方式蒐集；第二種是因為吃辣椒、切洋蔥等導致流淚的「反射型淚水」（reflex）；第三種則是因為快樂、悲傷痛苦而留下的「情緒型淚水」（emotional）。

但莫里斯發現，儘管是同一種類型的淚水，在顯微鏡下仍然呈現不同的圖像。「它們都是獨一無二的」，莫里斯說，因不是在完全受控的環境形成，眼淚的溼度和溫度不同，也可能讓有完全相同化學成分的兩滴眼淚在顯微鏡下看起來非常不同。

小知識：明視野 vs 暗視野照明

參考資料：

1. https://medium.com/micrograph-stories/the-journy-of-imaginarium-of-tears-5f70c8fb6f53
2. https://www.smithsonianmag.com/science-nature/the-microscopic-structures-of-dried-human-tears-180947766/
3. https://www.businessinsider.com/what-tears-look-like-under-a-microscope-2015-10

本文轉載自顯微觀點

在古典科學觀念中，材料在物理學上的內含性質（intensive property）就如同它們的指紋，足以辨識材料成分的身分、本質，不會因材料大小、形狀而改變。但是 21 世紀的科學家卻發現，將材料剝離分解到無法更薄、僅剩 1 層原子厚的二維平面，竟會出現超導體、超流體、活躍強健的激子等奇特現象，與原本的物理性質大異其趣。

這種新興的「二維材料（2-dimensional materials）」物理不僅召喚著科學家的濃厚好奇心，也具備科技創新的潛力。要探究二維材料這些超越既有材料科學認知的神祕特性，就要從量子世界中的電子行為「能帶理論」談起。

決定材料性質的電子能帶

能帶理論（Energy Band Theory）是以高低不同的「能量帶」空間觀念，對晶體中的電子行為進行解讀：電子平時處於能量較低的價電子帶（亦稱價帶，covalence band）。此能帶的電子受到原子核束縛，不能自由運動，且許多電子塞滿其中，沒有流動空間，因此價帶中的電子不能導電。

若從外來光子獲得足夠能量，電子會躍升到傳導帶（亦稱導帶, conduction band），在此空間充沛的能帶，電子能夠自由移動，在外部電場的作用下形成電流、展現出導電性。

導帶、價帶之間的能量帶稱為「能隙（band gap）」，是電子無法停留的能帶位階，不同種類晶體的能隙大小不同，電子由價帶升往導帶的難易度因此相異。若價帶電子得到的外來能量並未超過能隙大小，就沒辦法升往導帶。

金屬晶體具有極小的能隙，某些金屬的導帶與價帶甚至重疊，因此電子可以輕易進入導帶，展現出良好導電性。而絕緣體的能隙極大，電子難以躍升到導帶，因此困在價帶，無法導電。半導體介於金屬與絕緣體之間，在適當的能量激發或能隙調整下，就能展現導電性，人類得以調控電訊號。

備受眾望的石墨烯，終究因為其沒有電子能隙、導電性過佳，難以成為實用的半導體材料。但是另一種二維材料：過渡金屬二硫族化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMD）卻展現出了可調控的導電性，讓半導體產業界的希望之火繼續燃燒，也為物理學界展開寬闊的未知境地。

未來的超級材料：TMD

TMD二維材料的大型原子之間具有原子核、電子的相互作用，產生一般材料罕見的超導特性與巨磁阻，成為具備高潛力的半導體材料。從上方觀察，TMD如石墨烯一般形成六角形晶格平面，但從側面看，會發現上下兩層硫族原子將金屬原子夾在中央，猶如一個原子三明治。

在TMD的原子三明治菜單上，二碲化鎢（WTe₂）、二硫化鉬（MoS₂）、二硫化鎢（WS₂）、二硒化鉬（MoSe₂）、二硒化鎢（WSe₂）等，都是極具潛力的二維層狀半導體材料。

這些潛力TMD與石墨烯相似的不僅是晶格排列模式，同時它們也具有強力的層內共價鍵與薄弱的層間凡德瓦力，這種力量分配讓它們更容易剝離成單層結構。相較之下，其他材料（例如純金屬）通常具備延伸共價鍵或金屬鍵，材料塊不容易層層剝落、難以形成單層二維材料。

TMD 單層分子平面成形之後，電子能帶結構會從原本的間接能隙轉變為直接能隙，使互相吸引的導帶電子與價帶電洞（即為激子）結合時直接放出光子。在間接能隙結構中，激子結合的能量會轉換為熱能，不利於能量或訊號傳輸。單層 TMD 的直接能隙則讓它們在光照之下，可以透過電子活動而激發出螢光，成為光致發光（photoluminescene）的良好材料。

矽或鍺等等電子元件常見材料，在二維狀態下依然保持間接能隙，能量會化為熱能，不會轉換為光。因此 TMD 二維材料取代傳統材料，成為產業界創新光電材料的希望所在。

透過顯微操作，科學家更利用 TMD 的層間凡德瓦力，將不同的 TMD 二維材料疊合、錯位，形成異質結構（Heterostructures），透過材料堆疊位置調整電子能帶，產生如超導體或莫特絕緣體等特殊物理現象。就像在玩奈米尺度的樂高積木，只是成果比樂高更令人驚奇。電子在異質結構中產生的新奇行動模式，有機會應用在量子計算、奈米元件等領域。

此外，TMD 二維材料本質上比石墨烯更加特殊之處，是其中的金屬原子質量較重，導致更強的電子自旋-軌道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）效應，於是 TMD 在 2 個電子能谷（Energy Valleys）中表現不同的電子特性，使科學家能夠操縱電子的「谷自由度」來進行訊號傳輸（類似1與0的二進位訊號）。

透過不同於傳統半導體的超導、絕緣、谷電子學性質，TMD 二維材料可以提供極快速、低耗能的訊號調控與傳導，在小於奈米的空間中，也能保持訊號精確。此外，由於激子的活動現象，二維材料也更有機會實現利用光子傳輸訊號的計算機元件。

在家裡研究量子物理

提及激子的研究方法，台灣大學人工低維量子材料物理實驗室（Quantum Physics of Artificial Low-dimensional Materials Lab, 又稱 QPALM 實驗室）主持人陳劭宇解釋，雖然量子力學被多數人視為難以捉摸的神秘領域，但製作二維材料的方法卻可以非常貼近日常生活。

陳劭宇說，「我們實驗室最常用來製作二維材料的工具，你一定也用過，就是有名的 Scotch Tape 法。」

Scotch Tape 法又稱機械剝離法（exfoliation）：使用膠帶黏住小塊材料，材塊對面再以膠帶黏貼，接著將兩側膠帶撕開，就會將材料一分為二。如此反覆黏撕，最後出現極為單薄的單層二維材料。這也是當年海姆（A. Geim）與諾沃蕭洛夫（S. Novoselov）將石墨塊製作成單層石墨烯、邁向 2010 年諾貝爾物理學獎的方法。陳劭宇團隊則更進一步，對各種材料塊採用不同的膠帶，以得到最佳的剝離效果。

若你在生活百貨結帳時遇見購買各式膠帶的顧客，除了封箱收納，他也可能是位準備動手研究量子物理的科學家。

得到單層材料之後，科學家透過顯微操作將其放上六方氮硼（h-BN）等基材，再加熱使膠帶與二維材料分離。材料與操作方法相當平易近人，卻可以結合顯微觀察、拉曼光譜等方法從中測得奇妙的量子物理現象。

陳劭宇回憶道，「這是可以自己『在家動手做』的物理研究，在 COVID-19 疫情嚴峻隔離的時候，我們輪班工作、不能持續待在實驗室。只好自己組裝一台顯微鏡，用不同的光線觀察二維材料，竟因此發現某些材料在特定顏色光照射下，才有辦法清晰觀測。」

這個發現雖然尚未發表，但也成為他的實驗秘技之一。而當時「在家動手做量子物理」的研究過程也錄製成影片，作為疫情期間透過網路推廣科學的素材。

在二維材料研究中，材料層數是最重要的數字，而光學顯微鏡就在材料層被剝離後，擔任檢驗的工具。陳劭宇說，不同的材料有各自適合的顯微觀察方式，從常見的穿透光、反射到微分干涉（DIC）顯微術都是他會採用的方法。

確認材料層數之後，便能以光、電與材料互動，或是疊合異質材料，並以顯微鏡或拉曼光譜儀觀測，針對觀測結果進行運算，實驗人員可以得知二維材料的激子束縛能、能量轉換、導電性等物理特質。

例如，因為二維材料的層間空間極小，因此受到激發的電子可能移動到相鄰的異質材料層，而其相應的電洞還停留在原本材料層，電子與電洞在不同材料層互相吸引，形成奇妙的跨層激子（interlayer excitons），產生新穎的電學、光學、磁學現象。

陳邵宇舉例，暗激子的超流體狀態就是其中一種神奇現象。他說，「超導體的節能來自於傳輸電荷時不耗能，而超流體則是粒子移動時不耗能。若能控制超流體狀態的激子，我們就能得到超級節能的元件。」

陳劭宇闡明，超流激子在理論上已被預測，但還沒有人在實驗中成功操縱這項性質。他表示，控制超流激子是物理學界共有的、也是他個人追求的遠大目標之一。二維材料中包含超流體、高效率光電轉換等特質，為未來科技開創了廣大的可能。在陳劭宇等物理學家的持續投入下，我們有機會親眼見到他們利用輕於鴻毛的二維材料，實現宏大的未來科技。

（更多深入淺出的二維材料知識，請看降維展開新宇宙：陳劭宇和激子物理）

參考資料

• Paylaga, N.T., Chou, CT., Lin, CC. et al. Monolayer indium selenide: an indirect bandgap material exhibits efficient brightening of dark excitons. npj 2D Mater Appl 8, 12 (2024).
• 二維量子半導體中的激子物理
• 二維材料：未來科技的新前沿