• 作者／顯微觀點
• 本文轉載自顯微觀點《15皮米的視界：開啟材料原子分析新紀元》

在材料科學領域，「解析度」決定了人類理解物質世界的深度。最早期的材料科學家只能觀察晶體形貌，到現在能利用精密儀器直接解析單一原子排列模式，每一次解析度的突破，都重新設定了我們對材料的認知框架。

2025年，來自馬里蘭大學與伊利諾大學香檳分校的研究團隊^[1]，利用電子疊層繞射成像（electron ptychography）技術，成功達到小於 15 皮米（pm，10⁻¹² m）的空間解析度，不僅觀測到單原子級結構變化，更捕捉到低扭角摩爾超晶格的集體振動模式。這項成果不僅更新電子顯微技術的解析度紀錄，也標誌著材料觀測尺度正式進入「原子振動」時代。

原子解析最前線：從「看見結構」到「測量位移」

過去數十年，各種電子顯微技術在解析度競賽中互不相讓，從奈米尺度（nm，10⁻⁹ m）逐步推進至埃米尺度（Å，10^-10 m），並逼近原子動態。材料科學研究的解析度不僅影響影像清晰度，更決定科學家提出問題意識的層次。

典型原子間距約為 200–300 pm，而原子因熱振動、應變或電子交互作用產生的位移，往往僅有數十皮米甚至更小。然而，正是這些微小的動態變化，主導了材料的關鍵性質，例如：電子傳輸行為、晶格應變分布、相變機制、超導或拓樸態形成等重要特性。

當科學家企圖在原子尺度進行影像分析，傳統高解析電子顯微術雖能辨識原子位置，但在量測如此微小位移時，仍受透鏡像差、電子束散射與訊號雜訊限制，多數結果仍需依賴間接推論，而非直接觀測。

15皮米的意義

1皮米等於千分之一奈米，相當於頭髮直徑的萬億分之一，而多數原子半徑為 50–200 皮米。長期以來，TEM（穿透式電子顯微鏡）與 STEM（掃描式穿透電子顯微鏡）已能解析原子排列，但真實材料中的原子並非靜止，而是不斷受到熱振動、局部應變與電子交互作用影響。

當解析度進入15皮米以下，顯微技術開始出現質性轉變：觀測尺度不再只是確認原子「位在何處」，而是量化原子偏離平衡位置的微小移動，甚至辨識由大量原子共同發生的集體振動模式。

此時，電子顯微鏡首次跨越「結構觀測」與「行為量測」之間的界線，從靜態結構分析工具，轉變為原子動態物理行為的觀測平台。

在15皮米觀測尺度下，材料不再被視為固定排列的結構，而是一個持續波動與調整的動態系統。微小原子位移即可改變能帶結構，進而影響導電性、磁性與量子相態形成。過去仰賴理論推測的效應，如今開始透過顯微觀測直接驗證。

什麼是電子疊層成像？

電子疊層成像（electron ptychography）是一種結合電子波動性與計算重建的先進成像技術。

電子的波動性在穿過極薄樣品時會產生相位改變。傳統電子顯微鏡主要利用電子強度成像，而疊層成像則透過「重疊掃描」方式逐點量測樣品，完整記錄繞射資訊，並以演算法重建樣品內部的電子分布及入射電子波的振幅與相位。

其核心技術包含重疊掃描：每次量測相鄰區域時，都會包含部分重疊範圍。以及反演重建演算法，能夠推算電子波如何與樣品交互作用。因此，電子層疊成像本質上是種計算式顯微技術。解析度不完全由透鏡決定，而與資料品質、演算法能力密切相關。

電子疊層成像 vs. 傳統電子顯微鏡

與傳統 TEM 或 STEM 相比，電子疊層成像的特殊之處源自其截然不同的成像方式：傳統電子顯微系統依賴電子透鏡直接觀測，一旦資訊遺失便難以復原。而疊層成像透過大量重疊量測形成資料冗餘，以演算法反推出唯一一致的物理解。

層疊成像時，透鏡像差與部分雜訊所造成的失真，可藉由計算反演修正與補回，形成所謂的「計算補償」。因此，解析度在疊層成像中，是資料品質、取樣密度、計算能力彼此交互而成的結果。

顯微系統的角色，也由傳統的影像獲取，演變為結合量測、運算與模型重建的計算式觀測儀器。

嶄新觀測——摩爾相位振動（Phason）

在低扭角雙層二硒化鎢（WSe₂）材料中，兩層晶格僅約 1–3° 的旋轉，即能形成長週期摩爾超晶格，產生複雜應變場與新型集體振動。這種稱為 phason 的集體滑移模式。不同於聲子的局部振動，屬於超低頻集體激發，其頻率位於次 THz 範圍^[5]，長期難以被直接量測，處於「理論上」存在的狀態。

藉由可達 15 皮米解析度的電子疊層成像，伊利諾大學厄巴納香檳校區的材料工程學家厄德金（E. Ertekin）、黃品珊（音譯。Pinshane Y. Huang）、范德贊德（A. M. van der Zande）與研究團隊在2025年首次成功捕捉phason局部化且具方向性的振動分布，為人類在原子世界的探索立下新里程碑。

Phason的成功觀測，意味著材料科學不再受限於判斷原子位置，開始能夠直接觀察大量原子協同運動，揭露摩爾超晶格中隱藏的低頻動態自由度。

Phason對材料科學的重要性

一般材料的振動模式通常可透過拉曼或紅外光譜量測，但 phason 的特徵波數低於 1 cm⁻¹ ^[5]，遠低於這些光譜技術的解析能力，訊號容易被背景噪訊淹沒。此外，phason 是一種集體滑移模式，空間上高度局部化且方向性明確，而傳統光譜只提供整體平均訊號，無法展現原子層級的位移分布。

電子疊層成像則能直接量測原子位移，使低頻集體模式得以被視覺化並解析空間分布，將材料分析由「平均結構」提升至「局部動態行為」的細緻層次。

在二維材料與量子材料研究中，微小原子位移即可顯著影響電子結構、熱傳導與電性行為等重要材料特質，因此原子級位移場已成為材料科學核心研究對象之一。在摩爾超晶格中，低頻 phason 振動會影響局部應變，進而可能調變平帶（flat band）與強關聯態，提供理解拓撲量子態的動態調變視角。

精準量測原子群體振動模式，將能呈現材料的多種特質：

• 熱穩定性：振動如何影響熱傳導與熱容
• 電子調控：位移場如何重組能帶結構
• 缺陷作用：雜質與邊界如何干擾原子群體的協同振動
• 電子輸運：低頻振動對載子散射與量子輸運的貢獻

材料設計可以從量測結構、測試性能的既有模式，轉向「模擬振動、預測性能」的精準路線，加速開發流程。

對半導體與材料檢測的啟示

電子層疊成像技術的突破，也為高階材料檢測開啟潛在發展方向。

針對介面品質，將能超越觀測形貌，進行原子位移量測，達到原子級界面分析。面對精密元件的缺陷與應變量測，在皮米尺度解析局部應變，能提供更精準的製程回饋。

最後，當顯微系統將超越傳統電子顯微儀器範疇，結合資料處理與演算法，成為智慧分析平台。未來的顯微系統競爭重點，不是專精於非單一性能，而是計算成像與智慧分析整合的整體系統分析能力。

解析度突破 15 皮米，儀器呈現的不只是更清晰的影像，而是能同時理解結構及其動態的材料分析模式。最先進的材料分析平台，能夠精密回報原子的位置，並進一步說明原子如何移動、如何影響元件性能。顯微系統正演進為整合高維資料擷取、即時運算與 AI 分析的計算式平台，加速從研究成果到產業應用的落地整合。

當解析度進入原子振動尺度

在黃品珊等材料工程學家的突破下，電子疊層成像將顯微觀測推向皮米等級，使人類首次能在原子振動尺度理解材料行為。這不僅是儀器性能的提升，更是觀測典範的轉移——原子層級的顯微技術開始從描繪結構，走向量測運動。

原子材料科學正由靜態描述邁入測量動態機制的嶄新階段。對半導體與先進材料產業而言，電子疊層繞射術帶來的原子動態理解能力，將成為高階檢測與智慧分析平台的重要基礎。面對人類的觀測，解析度的疆界持續後退；而人類對材料的理解，正開始深入動態的世界。

參考資料

1. Yichao Zhang, Ballal Ahammed, et al. (2025). “Atom-by-atom imaging of moiré phasons with electron ptychography.” Science, 389 (6758), p.423-428. DOI: 10.1126/science.adw7751
   https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw7751
2. “UMD Breakthrough Named Amongst Physics World’s Top 10 of the Year.” Published December 15, 2025, University of Maryland.
   https://mse.umd.edu/news/story/umd-breakthrough-named-amongst-physics-worldrsquos-top-10-of-the-year?utm_source=chatgpt.com
3. 陳震。＜電子層疊繞射成像技術的突破及應用＞，《物理》，北京，2023 V.5.
   https://wuli.iphy.ac.cn/cn/article/pdf/preview/10.7693/wl20230509.pdf
4. 何翰蓁。＜讓鏡中世界不再黑白，電子顯微鏡的全新顯像技術＞，《科學月刊》，台北，2017.
   https://pansci.asia/archives/116644
5. Indrajit Maity, Mit H. Naik, et al. (2020). “ Phonons in twisted transition-metal dichalcogenide bilayers: Ultrasoft phasons and a transition from a superlubric to a pinned phase.” Phys. Rev. Research 2, 013335. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.013335
   https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.013335

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