物體的構成在巨觀世界跟微觀世界有著完全不同的方法，在微觀的世界中，很多物質具有自組裝的能力，可以巧妙的利用物質間的交互作用力組成各種功能性的結構。而在巨觀的世界裡，除了由生物主導的自然界環境之外，幾乎所有的人造物體，都是需要經過設計加工的過程與人為細部的組裝來完成。但是這樣的限制是怎麼來的？有沒有可能利用自組裝方式來完成各種巨觀物體的外型與功能設計？
其實這樣的研究一直有科學家在進行，如介紹過的自己折起來的膜，在巨觀作用的分子魔鬼氈，或是記憶金屬等。 但是如果要大規模的設計，就需要一套設計的哲學跟發展方式，這個演講介紹了一些利用物體作用力跟局部材料性質設計所引起的自組裝方式。希望可以利用程式化設計的方式，在材料性質與作用力設計上把微觀自組裝的方式引入巨觀的世界，利用像是振動或是水引起的物理性質變化，來組裝不同的材料。這樣個方式或許最後沒有辦法取代現在的工業製造模式，但是在某些方面，例如介紹過的利用折紙技術做成太空的太陽能板，所是利用氣球網狀結構來做血管支架等一些人力難及的地方或許可以有更多好的應用跟創新！
轉載自Scimage科學影像
為什麼台灣會像坐在搖搖椅上，總是時不時地晃動？這個問題或許有些令人不安，但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計，台灣每年有 40,000 次以上的地震，其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日，花蓮的大地震發生後，台灣就經歷了超過 1,000 次餘震，這些數據被視覺化後形成的圖像，宛如台北101大樓般高聳穿雲，再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。
地震發生後，許多外國媒體擔心半導體產業會受影響，但更讓他們稱奇的是，台灣竟然能在這麼大的地震之下，將傷害降到這麼低，並迅速恢復。不禁讓人想問，自從 25 年前的 921大地震以來，台灣經歷了哪些改變？哪些地方可能再發生大地震？如果只是遲早，我們該如何做好更萬全的準備？
要找到這些問題的答案，最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館：國立自然科學博物館的 921地震教育園區。
1999年9月21日凌晨1點47分，台灣發生了一場規模7.3的大地震，震央在南投縣集集鎮，全台 5 萬棟房子遭震垮，罹難人數超過 2,400 人。其中，台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過，地面隆起2.6公尺，多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區，保留這段震撼人心的歷史，並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。
車籠埔斷層保存館建於原操場位置，為了保存地表破裂及巨大抬升，所以整體設計不採用樑柱結構，而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成，外觀為曲線造型，技術難度極高，屬國內外首見，並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍，讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力，進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館，透過互動展示，讓參觀者親手操作，學習地震工程相關知識。
國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示，面積上，台灣是一個狹長的小島，卻擁有高達近4000公尺的山脈，彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史，從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震，到1999年的921大地震，都發生在台灣西部，與西部的活動斷層有密切關聯，震源位於淺層，加上人口密度較高，因此對台灣西部造成了嚴重的災情。
而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域，地震震源分佈更廣。與西部相比，雖然東部地震更頻繁，但由於人口密度相對較低，災情相對較少。此外，台灣東北部和外海也是地震多發區，尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶，至沖繩海槽向北延伸，甚至可能影響到台北下方，發生直下型地震，這種地震因震源位於城市正下方，危害特別大，加上台北市房屋非常老舊，若發生直下型地震，災情將非常嚴重。
除了台北市，蔣正興博士指出在台灣西部，我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響，該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外，我們也需要留意西南部的地震風險，如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部，因為存在眾多活動斷層，當然也需要持續注意。
我們之所以擔心某些斷層，是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量，一旦達到臨界點，就會釋放，進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘，尋找過去地震的證據，如受構造擾動沉積物的變化，然後透過定年技術來確定地震發生的時間點，估算出斷層的地震週期，然而，這些數字的計算過程非常複雜，需要綜合大量數據。
挑戰在於，有些斷層的活動時間非常久遠，要找到活動證據並不容易。例如，1906年的梅山地震，即使不算久遠，但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難，更不用說那些數百年才活動一次的斷層，如台北的山腳斷層，因為上頭覆蓋了大量沉積物，要找到並研究這些斷層更加困難。
儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動，我們仍然可以預先對這些構造做風險評估，從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區，就是那個可以發現應變之道的地方。
在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員，常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後，台灣進行的六大改革。制定災害防救法，取代了總統緊急命令。修訂了建築法規，推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍，在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產，增設了歷史建築類別，確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。
最後，則是推行防災教育。黃英哲表示，除了在學校定期進行防災演練，提升防災意識外，更建立了921地震教育園區，不僅作為教育場所，也是跨部門合作的平台，例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作，進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址，讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力，最具可看性；然而除此之外，園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地，為未來的地震研究提供了寶貴的資源。
堪稱園區元老，在園區服務將近 19 年，主要負責日語解說工作的陳婉茹認為，園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化，如抬升的操場和毀壞的教室場景，讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力，尤其是對於年輕的小朋友，即使他們沒有親身經歷過，也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。
陳婉茹回憶，之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀，原本小朋友並不認真聽講，到處跑來跑去，但當他看到隆起的操場，立刻大聲說這他在課本看過，後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。
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除了每看必震撼的地景，園區也透過持續更新策展，邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到，去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生，當時她儘管驚恐，依舊背著腿軟的學姊下樓，讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。
在地震體驗平臺的設計中，黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力，更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作，一樓展示區採用了時光機的概念，運用輕鬆、童趣的風格，希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片，讓遊客真實感受921地震的情境。她強調，這次展覽的目標是全民，設計上避免了血腥和悲傷的元素，旨在讓觀眾帶著正向的感受離開，並重視防災意識。
籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始，九月完成，為了迅速而有效地與設計師溝通，黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具，來加快與設計師溝通的過程。
蔣正興博士說，當初學界建議在此設立地震教育園區，其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生，這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後，安朔葉教授立刻趕到台灣，認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點，建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年，在斷層館的展示更新中，便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。
此外，作為 20 週年的相關活動，今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄（MOU），強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀，感謝他不遺餘力，長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。
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盡力保存斷層跟受創校舍，只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示，921地震發生在車籠埔斷層，其錯動形式成為全球地質研究的典範，尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示，距離車籠埔斷層約100公尺內，住在上盤的罹難率約為1%，而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近，特別是上盤，是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動，這一數據清楚告訴我們，在上盤區域建設居住區應特別小心。
2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。
在921地震後，政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長，全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性，但台灣不同，斷層活動十分頻繁。例如 1951 年，米崙斷層造成縱谷地震，規模達 7.3，僅隔 67 年後，在 2018 年再次發生花蓮地震，這在全球是罕見的，也因此 2016 年劃設的地質敏感區，在 2018 年的地震中便發現，的確更容易發生地表破裂與建築受損，驗證了地質敏感區劃設的有效性。
在過去的20年裡，921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步，也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡，每一項展示，都在默默提醒我們，那段傷痛歷史並未走遠。然而，我們對抗自然的力量，並非源自恐懼，而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區，感受那因地震而隆起的操場，或是走過曾經遭受重創的教室，你會發現，這不僅僅是歷史的展示，更是我們每一個人的責任與使命。
來吧，今年九月，走進921地震教育園區，一起在這裡找尋對未來的啓示，為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。
延伸閱讀：
高風險？ 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟！」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇－霧峰九二一地震教育園區｜天下雜誌
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文／林宇軒
分子結的合成，可以說是獲得 2016 諾貝爾化學獎分子機械合成領域的濫觴，不過至今二十八年間，化學家總共只合成出三種分子結。曼徹斯特大學化學系教授大衛·雷伊（David Leigh）團隊，在今（2017）年一月於《科學》（Science）期刊上，發表目前為止交錯次數最多、最緊的分子結，可進一步研究其結構強弱，未來有機會開發出更堅韌或更柔軟的絲線。
編織與繩結技術在人類歷史上，一直都扮演著很重要的角色，知曉如何操作這些技術有助於製作出堅韌的船纜、拔河繩，或是保暖衣物。而隨著科技的進展，科學家們也不斷研究如何製作出更強韌、更柔軟的絲線，以滿足現代各式各樣的需求。
若能在分子尺度強化纖維，例如將分子互相纏繞或打結，必然會是非常有力的策略。事實上，分子尺度的結（molecular knot）在自然界中就找得到，像是在生物體內，可發現一些由 DNA 形成的分子結（例如原核生物環狀 DNA 複製後，形成的結），或是在某些蛋白質的結構中也能發現其蹤跡。
化學家因此利用化學合成的知識與技術，嘗試人工合成分子結。第一個成功的便是最簡單的三葉結（trefoil knot），這是由 2016 諾貝爾化學獎得主索瓦（Sauvage）所帶領的團隊，於 1989 年合成出來的（延伸閱讀：2016諾貝爾化學獎）。不過，在拓樸學上，目前已知無法再被分解的基本結（prime knot）有六十億種，然而化學家從合成三葉結至今二十八年了，卻只合成出三葉結、八字結（eight-figure knot）、五葉結（pentafoil knot）。
曼徹斯特大學化學學院大衛·雷伊（David Leigh）教授所帶領的團隊，於今（2017）年一月在《科學》（Science）期刊上發表分子結合成的新進展，他們成功利用化學合成的方式，將四條分子鍊互相交錯，打出了一個在拓樸學上稱為 819 的分子結（如下圖），也就是繩子交錯八次的第十九號基本結。該結總共用了 192 個原子，形成了八個交叉的分子結，但整條分子鏈的長度僅有20奈米，是目前化學家所能合成的最複雜、也最緊的一種。
這麼微小的分子結當然很難用一般的方法繫出來，因此在合成方法的設計上，需要想辦法讓分子鏈能自行聚集、自己打結。
一般而言，如果化學家要將兩個分子拉近距離或是連接起來，要讓連接處的原子共享電子，也就是要讓兩個分子形成穩定的共價鍵，使彼此無法分離。不過分子無法控制自己的方向，而是隨意碰撞，使得只要遇到另一個分子上能分享電子的原子，就會發生反應，有機會產生錯誤構型、但相當穩定不會消失的分子，造成反應效率低落。
化學家為了要有效合成分子結，又不希望有太多不必要的副產物，因此改變策略，利用吸引力較弱的分子間作用力，例如凡德瓦力或氫鍵，來連接兩分子。好處是，因為這些作用力比共價鍵弱，即使在碰撞過程中，反應出一個不希望出現的產物時，錯誤構型的分子仍有機會斷開連結，變回原本的兩個分子。利用這樣的特性，設計出來的分子能夠在碰撞的過程中，不斷吸引、折疊，或是連接起來，等於是讓分子自動去找最穩定的結構，這種方法稱為「自組裝（self-assembly）」。
這樣的方法廣泛的應用於獲得 2016 諾貝爾化學獎的分子機械領域中，當然，也用於合成分子結。雷伊教授的團隊使用於合成分子結的基本單位（building block）是一條分子鏈，他們利用金屬離子吸引分子鏈中帶有孤對電子的氮，把分子鏈都吸引在一起，再啟動第二步反應連結四條分子鏈，最後移除所有的離子，便完成分子結的合成（如下圖）。
事實上，雷伊教授的團隊在 2012 年時，便以完全相同的方法合成出五個交錯的星狀分子結（發表於《自然》（Nature）期刊，相關介紹點此）。與此篇文獻不同之處在於，他們稍微修改分子鏈末端的結構以及反應物的比例，產物即變成 819 分子結。
雷伊教授在接受 RearchGate 的訪問中提到：「下一步的研究方向是將分子打成結的技術套用到紡織技術上，例如去研究在一條分子長鏈打了個結後，是否會影響這條分子鏈的強度？」化學家也可以利用新的合成方法試著做出其他種分子結，並研究它們結構上的結弱，以及打結如何影響一條分子長鏈的性質。
就像當年由杜邦公司研發的 Kevlar 合成纖維，廣泛應用於許多以強韌性為重的物品，如軍用頭盔或防彈背心等；或是像極具發展潛力的強韌蜘蛛絲，科學家至今仍在研究是否能利用其強韌的特性，製作出更強的絲線，未來，或許有機會利用分子結的技術，開發出新式材料，製作出超柔韌聚合物絲線，使得紡織技術能有重大大進展。
原始研究：
參考資料：
※感謝臺灣大學化學研究所詹益慈老師實驗室程凱煜同學於原理部分提供的協助。
報導 / 簡韻真
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技術專頁:智能材料‧低溫改變塑膠記憶
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