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仰望海面,波紋閃動

活躍星系核_96
・2013/07/26 ・5646字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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文 / 史杯時碳

「咕嚕,咕嚕...」幾團氣泡從我眼前經過,漂浮著、上升著。

視線跟隨著氣泡,我微微抬頭仰視;湛藍的海水之上,一片巨大的透明表面,開展在我的上方,晃動著、搖擺著。

那海面交織律動的波紋,閃閃發亮,耀眼的光線刺得讓我稍稍瞇起了眼睛。甩一甩頭,擺擺我的鰭狀前肢,乘著海流,在溫柔地包覆著我全身四周的海水中向前划行。

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俯視下方的海底,有起起伏伏的山峰。珊瑚礁鋪滿一整片,一根根樹枝般的枝枒,聚集在一起生長成一面面向上舒展的橢圓形平台;各種鮮豔豐富的色彩,彷彿把所有大自然中最飽和的色調都呼喚過來這裡集合比賽。各種小魚穿梭在其中,牠們身上的斑斕花紋,也像是不想在這場盛宴中落在任何對手之後。

最近幾天游過的這附近,經常有大量的魚成群移動,有時候牠們經過我的上方,擠得遮蔽了穿過海面射入的耀眼光線。有一次,我看到大約有五千隻長鼻鸚哥魚聚集在一起產卵,牠們鬧哄哄地亂成一片,在那裏為了延續後代而互相交換著卵子與精子,一顆一顆的蛋把附近的海水都弄得混濁了!有時候,我會遇到一整群銀、黃、藍黑色交錯的黃鰭鮪魚;甚至我也曾經一下子看到一百多隻的鯊魚,或者是鯨魚這些大傢伙。

你能夠想像嗎?以上這些是一隻綠蠵龜洄游經過太平洋中央,吉里巴斯共和國的鳳凰群島(Phoenix Islands)海域時,所會看到的美麗景象。「那些(海洋生物們生機勃勃的)活動,本來就是海裡經常發生的事,但現在卻因為人類的參與,而使這些活動處處受限。」海洋科學家克雷格.史東(Greg Stone),不時微微地搖著頭,感性地如此闡述著。(1)

圖一:吉里巴斯,鳳凰島海域裡的魚群。Greg Stone:「那裡的魚大量成群地一起遊動,遮蔽了從海水表面射入的光線。」圖文擷取自(1)
圖二:大約五千隻鸚哥魚聚集在一起產卵。圖片擷取自(1)
圖三:銀、黃、藍黑色交錯的黃鰭鮪魚。圖片擷取自(1)


TED talk — 克雷格.史東:一次保育一個島嶼來拯救海洋

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海洋,是地球生命的起源點,所有地球生物共同的故鄉。蔚藍的海水覆蓋約70%的地表,為大約97%的生命提供居所(3)。你知道嗎?地球上每一天出生的新生命中,有超過一半是來自海洋 (4)。海洋中的光合作用,產生我們賴以呼吸的氧氣大約一半的量(3,4);而長久以來,地球上大部分的有機碳,都在海洋中被吸收或儲存(這一過程主要由微生物所完成)(3)。龐大的海洋,儲存了地球上97%的水,穩定了地球上的氣候、天氣與溫度變化;沒有水,就沒有生命,因此,聲譽卓著、曾經進行過許多次深海研究與探險的女性海洋科學家Sylvia Earle說:「沒有藍色,就沒有綠色。(No blue, no green.)」[3]的確,如同她在2009年的TED大獎得主演講中所說的:「不管你生活在什麼地方,你喝的每一滴水,每一次的呼吸,都將你與大海聯繫起來。」


TED talk — Sylvia Earle的TED大獎願望:保護海洋


【塑膠垃圾 奔向大海】

海洋雖然對每一個人都如此重要,但是對於大部分生活與居住在遠離岸邊的陸地上的我們來說,卻又是如此遙遠,如此陌生,以至於我們時常把關注焦點都集中在陸地上,而在不知不覺中忽略了它的存在(補充參考:圖四)。我們經常沒有料想到,我們向大海排放的東西,或是對海洋的索取都會傷害到海洋(3);甚至,我們可能根本就沒有注意到自己正在向海洋排放,或者是索取一些東西。

我們向海洋索取,進行過度的漁業捕撈,超過了大自然補充的速度,使得大型魚類族群的個體數量急速減少,某些種類瀕臨絕種,而有些魚的體型則在幾十年內大幅縮小(6,7)。我們向海洋排放:除了經由河流進入大海的有毒工業、畜牧或家庭廢水以外,流入海裡的肥料等大量的養分(加上大型魚類減少的因素)破壞了原來的生態平衡,使得某些浮游植物過量增生,消耗掉大量的氧氣或者釋放大量毒素,因而讓某些海域甚至海灘變成了危險地帶(7);油輪或者是鑽油平台失事所造成的海上原油洩漏對海洋生物與海鳥的致命威脅相信大家都不難想像;然而,除了這些看起來明顯致命的有毒物質以外,我們一般人的日常生活裡,更可能自己在不知不覺中投向海洋的,卻是最常見的飲料瓶等等塑膠垃圾。

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圖四:創造了以鯊魚「謝門」為主角的海洋生物漫畫「謝門的潟湖」的漫畫家Jim Toomey在TED演講中說:「(在某件事發生之前,)我對海洋的印象只是這樣,我覺得海洋只是一片藍海;這就是我們所有人對海洋的最初印象,很神秘……所以人們畫出來的地圖會像這樣:對陸地描繪得巨細靡遺,但一畫到陸地邊緣的海洋,就只是用藍色的顏料描繪成一大潭水而已,這是我在學校時對海洋的印象。就好像老師說:『所有的地理和科學,都只教到陸地邊緣而已,其他部分不會列入考試範圍。』」圖文取自(5)

許多海洋工作者都有令自己難以忘懷的,與海洋塑膠垃圾特殊的接觸經驗。我們提過的第一位海洋科學家Greg Stone十分熱愛搭潛水艇進行深海探險;他回憶起20年前,當他搭著日本政府所擁有的,世界上能潛入最深海域的潛艇下潛到5400公尺深的海底時,原本以為會到達一片純淨自然的海底區域,但是,非常意外的,當他們到達那裏時,卻發現早已經有一大片的塑膠垃圾和廢棄物領先了。這觸動了他的念頭:「那時我才明白,我不可能以玩樂的心情來研究科學和探索,我必須要更有深度,我要朝保育這個目標前進。」(1)

圖五:海洋科學家與保育工作者Greg Stone,在他身後螢幕上的是他所搭乘的,當時世界上能潛入最深海域的潛艇。圖文擷取自(1)

塑膠垃圾占了海洋垃圾中的80%~90%(8),而且其中有許多是飲料瓶與瓶蓋(尤其是,聚丙烯(PP)瓶蓋沒有被列入美國的塑膠瓶回收法案中)(9)。首次發現目前已經頗為知名的太平洋垃圾帶(Great Pacific garbage patch)的海洋學家Charles Moore船長,在兩個北夏威夷環礁上數以百萬計信天翁的棲息地中,發現信天翁父母們努力蒐集漂浮在海面上,分別從日本和美國被洋流所帶過來的瓶蓋,將它們誤當成是食物,先吞下再回吐餵給幼鳥吃。成千上萬隻幼鳥因此正在死亡線上掙扎,他們的胃裡滿是瓶蓋與其他垃圾(9)(圖六)。Moore船長在夏威夷北部的渦流處,用浮游生物拖網所採集的海水樣本中,發現裏頭的塑膠含量比浮游生物還多,以致於他感嘆,那片海洋已經逐漸變成「塑膠湯」了。

TED talk — 查理斯•摩爾:被塑膠充斥的海洋

圖六:從一隻死去的四個月大黑背信天翁的胃裡所取出的塑膠瓶蓋、塑膠碎片與其他垃圾。圖片擷取自(9)

Roz Savage小姐(10)在她35歲那一年,決定從原來身為一位管理顧問,穩定但枯燥的生活中解放出來,展開她不讓生命留白的熱血冒險旅程。她在2005年時完成一個人划船橫越大西洋的壯舉;挑戰成功後,她自然決定朝下一個更大、更困難的目標 — 橫越太平洋前進。她談到她的冒險旅程,其中有一段特別的經歷是,她有一次因為海水淡化設備故障,所以和另外一組正好經過附近海域的航行者聯絡在海上會合碰面。他們為了喚醒大眾對於北太平洋垃圾環流問題的重視,而用15000個空的塑膠瓶所綁成的兩艘船,也打算挑戰划船橫越太平洋。當他們碰頭的那一天,釣到一條大鬼頭刀魚,Roz說:「那是我三個月來吃過最棒的一餐。」她的新朋友告訴她:當天他們運氣實在不錯,因為他們前幾個星期釣到一條魚,把魚剖開時,「居然發現裡面全是塑膠。」(圖七)這一次的航行旅程,喚醒了她對於塑膠汙染,氣候暖化所導致的海平面上升等等生態問題的重視。(10)

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圖七:Roz Savage在海上遇到的冒險同好所釣到的一條魚,剖開後發現魚腹有許多塑膠碎片。塑膠會釋放化學毒素到吃下它的生物體內,若人再把魚吃下去,毒素會囤積到人體內,影響健康(10)。圖片擷取自(10)

TED talk — 羅茲﹒沙維奇:為什麼我要划船横渡太平洋


【如果大海能夠 喚回曾經的愛】

既然塑膠垃圾在大海裡會造成這麼大的問題,我們是不是應該趕快行動,把他們全部都從海裡撈起來呢?充滿熱血的Dianna Cohen小姐[8],就曾經想這麼做。Cohen原本是一位使用塑膠袋作為創作材料的視覺藝術家,當她聽說關於北太平洋垃圾環流和垃圾漩渦的種種以後,就提出了一個計畫,準備了船隻和機器,想要出海把垃圾打撈上來,壓扁做成建材送給開發中國家使用。但是,當她和專家討論過以後,卻發現她的計畫所能打撈上來的垃圾量和全世界每天新排放到海裡的數量相比,只是九牛一毛。於是她領悟到:「真正的解決之道在於,我們必須把生產垃圾的源頭關起來。」她合作創辦了「塑膠汙染聯盟(Plastic Pollution Coalition)」,告訴大家:我們必須停止使用這種用過即丟,因此每天以全球性的規模入侵海裏的塑膠產品。我們該關注、擔心的不只是漂浮在海上的塑膠,還有所有那些充斥在我們生活四周的塑膠容器、包裝,和可能滲入我們食品中的塑膠毒素。除此以外,她也提醒我們,目前實際上的資源回收比率很低(在美國,低於7%),即使我們將塑膠瓶放入了回收桶,但是只要在資源回收過程中的任何一個環節發生失誤,塑膠垃圾最終的歸宿就很有可能是流入大海;而且即使是被回收的塑膠材料也只能作為次級的用途降級使用,不能真正回復成原來的原料。因此,她呼籲大家面對塑膠時,在原本的「3R」(「減量 (Reduce)」、「再利用( Reuse)」、「回收 (Recycle)」)原則前面,應該再加上一個「R」,即「拒絕(Refuse)」:盡可能不使用「用過即丟」的塑膠容器,而使用不鏽鋼瓶或者玻璃瓶等等來替代。(8)

TED talk — 戴安娜.科恩(Dianna Cohen):關於塑膠污染的殘酷事實

Dianna Cohen小姐提出了身為個人,可以從自己做起的減少塑膠汙染的行動,而在另外一個方面,身為一個民主社會與全世界的公民,我們還可以,或甚至說應該思考在社會與國家的層面上,應該制定或支持怎麼樣的制度來保護海洋。像「國際自然保護聯盟(IUCN)」的海洋保護法律專家Kristina Gjerde,就在TED演講(2)中,呼喚大家了解海洋的美好與重要性,制定保護公海的國際法,並且推動各國政府的合作,來管理並且避免佔64%的海洋面積,沒有被任何國家的法律所保護的海域受到破壞。還有,我們先前曾經提到兩次的老朋友 — 海洋科學家Greg Stone,致力於推動海洋保護區(相當於陸地上的國家公園或自然保護區)的成立。在他與保護國際(Conservation International)的努力推動、紐澳等周邊國家與大型國際組織的贊助,以及吉里巴斯共和國政府的誠意合作下,研議成立「鳳凰群島信託基金」,計畫籌資給予吉里巴斯禁止漁業捕撈的補貼(而事實上,尚在籌資階段時,吉里巴斯便停止了捕撈)(1);最後終於成立了鳳凰群島保護區(Phoenix Islands Protected Area,PIPA)(11),並且在2010年成為聯合國教科文組織(UNESCO)所指定的世界遺產。

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2002年,正當Greg Stone開始著手推動保育鳳凰群島海域時,發生了因海水溫度異常上升而導致的珊瑚白化現象,有60%的珊瑚死亡(1)。這不啻是一大打擊;然而,這片海域的珊瑚礁卻以科學家所觀察到過最快的速度自然復原,現在已恢復到了往日鳳凰群島的生機。(請見圖八、圖九)Stone認為,這應該歸功於這片海域已成為一片保護區,有許多健康的魚群,海藻也在此落地生根,連帶地讓當地珊瑚礁也長得很好(1)。他評論這一件事情道:「就像一個生病的人,如果有很多種疾病纏身,就很難治癒,可能會死;但如果只感染了一種疾病,那就很有可能治癒。氣候變遷的溫室效應所造成的影響,是(在鳳凰群島海域這裡)唯一會威脅或影響珊瑚生長的因素,因為我們排除了過度捕撈,汙染與海岸開發等各種因素,所以珊瑚得以全速復原。」(1)

面對海洋現在每天都正在遭受全球性、數量龐大的塑膠垃圾汙染問題,雖然規模比鳳凰島珊瑚礁的白化危機還要大得多;在目前看來,身處在一個被塑膠所包圍的世界裡,人們似乎也不太可能一夕之間就停止塑膠的使用,好像前景不怎麼樂觀。但是,就像在Greg Stone的經驗中,他們並不是在事先就能夠預見珊瑚礁快速的復原;他們所做的,只是就預定好的海域保護計畫,一步一步的持續去穩定推動,因此而得到了雖然是意料之外的驚喜,但是卻是符合他們推動保護區初衷的果實。或許對於海洋垃圾,我們雖然很難馬上在實際的執行面上將所有問題根本的解決,但仍然應該一點一滴的持續努力;也許持續地累積正向的條件,有一天可能發生我們目前還沒能預見的轉機。反過來說,如果我們不願意為現在已經浮現的危機進行試圖思考並進行正向的努力,或甚至讓情況更加速地惡化,也許在潛在轉機有發生可能的階段之前,我們就已經先斷送了我們自己的機會了,不是嗎?至少,在下一次使用塑膠瓶時,我們可以想一想,怎麼樣盡可能減少讓現在自己手中的瓶子,有漂流到大海中的機會。想一想那湛藍清澈,在水底看了都刺眼的海水波紋、其中穿梭的龐大魚群、色彩美麗的珊瑚礁,和可愛的綠蠵龜吧!

TED talk — 克莉絲蒂娜·傑爾德:為公海立法

圖八:2002年,鳳凰群島海域發生了因海水溫度異常上升而導致的珊瑚白化、死亡現象。圖片擷取自(1)
圖九:2010年的鳳凰群島珊瑚礁,已恢復了往日生機。圖片擷取自(1),由Brian Skerry所攝影。

【參考資料與註解】

(1) 本段文字與前面兩段的海洋景象描述,是由Greg Stone 的TED演講 – “Saving the ocean, one island at a time”所提及的實際海洋觀察經驗,加以創作、改寫而來。

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(2) Krinstina Gjerde, TED演講 – “Making law on the high seas”

(3) Sylvia Earle, TED演講 – “Sylvia Earle’s TED Prize wish to protect our oceans”

(4) Paul Snelgrove, TED演講 – “A census of the ocean”

(5) Jim Toomey, TED 演講– “Learning from Sherman the shark”

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(6) Jeremy Jackson, TED演講 – “How we wrecked the ocean”

(7) Daniel Pauly, TED演講 – “The ocean’s shifting baseline”

(8) Dianna Cohen, TED演講 – “Tough truths about plastic pollution”

(9) Charles Moore, TED演講 – “On the seas of plastic”

(10) Roz Savage, TED演講 – “Why I’m rowing across the Pacific”

(11) 可參考Wikipedia – “Phoenix Islands Protected Area”條目。網址: http://en.wikipedia.org/wiki/Phoenix_Islands_Protected_Area

(12)補充推薦:Daniel Pauly, TED演講 – “The ocean’s shifting baseline”

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

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,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
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 / 圖片來源:envato

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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)」 / 圖片授權:Shutterstock

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。

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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)。

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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。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

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。

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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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・2024/09/21 ・2334字 ・閱讀時間約 4 分鐘

深海的暗氧:無光環境中的神秘氧氣生成

深海,被譽為地球最後的未開發疆域,隱藏著許多不為人知的奧秘。數千公尺深的海底沉積了數量龐大的多金屬結核,這些礦物因含有大量珍貴金屬,對現代技術,尤其是能源轉型,至關重要。然而,科學家在探索這些結核的過程中意外地發現了一種神秘的現象:暗氧,即在無光的深海環境中生成氧氣的過程。這一發現不僅可能改變我們對海洋生態系統的理解,還可能重新定義地球早期生命起源的故事。

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長期以來,科學界普遍認為氧氣的生成依賴於光合作用。光合作用是植物、藻類及一些細菌透過陽光將水和二氧化碳轉化為有機物並釋放氧氣的過程。這一過程主要發生在地球表層和淺水區域,是維持大氣和海洋中氧氣含量的核心機制。根據這一觀點,只有在陽光能夠到達的區域,氧氣才能被生成。因此,對於深達數千公尺的深海區域,我們的認識是,氧氣主要來自於表層水透過洋流輸送到深處。

然而,深海中缺乏光源,光合作用無法進行,這意味著氧氣在深海中的供應受到限制。雖然洋流能夠在一定程度上將氧氣輸送到深海,但這一過程極其緩慢,往往需要數百年甚至上千年才能完成一次循環。因此,科學家一直認為深海是一個缺氧的環境。

多金屬結核的發現,是新能源的關鍵,還是海洋生態的災難?

在這樣的背景下,科學家對深海進行了更深入的探索,並發現了錳結核(英語:Manganese nodules),又被稱為多金屬結核這一珍貴資源。多金屬結核是富含金屬的岩石,其主要成分包括鈷、錳和鎳等金屬。這些結核廣泛分佈於全球深海區域,尤其是太平洋海域,儲量高達數兆噸。這些金屬對綠色能源技術,如電池生產,具有極高的價值,吸引了全球各國的關注。

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然而,這些結核不僅是地球資源的寶藏,它們還隱藏著另一個重要的發現。2013 年,科學家安德魯·斯威特曼(Andrew Sweetman)在太平洋克拉里昂-克里珀頓區域進行深海研究時,意外地發現,在封閉的深海水域中,氧氣濃度竟然有所增加。這一現象引發了科學界的極大關注。

科學家探索深海的多金屬結核時,意外發現「暗氧」的存在。 圖/envato

暗氧的生成機制

斯威特曼的研究團隊推測,深海中的多金屬結核可能在某些化學條件下,充當了天然電池。這些結核通過電化學反應將水分解為氧氣和氫氣,從而在無光的環境中產生了氧氣。為了驗證這一假設,團隊在實驗室中模擬了深海環境,並確實觀察到氧氣從結核生成的現象。

不過,這一過程並非如想像中簡單。根據實驗數據,某些海底結核表面的電壓僅為 0.95 伏特,卻能夠生成氧氣,這與理論上需要的 1.6 伏特電壓不符。研究團隊進一步推測,這可能與結核的成分有關,例如含鎳的錳氧化物可能起到了催化作用,降低了反應所需的能量。此外,結核表面的不規則排列及空隙可能也促進了電子轉移和水的分解。

暗氧的發現挑戰了我們對氧氣生成的傳統理解。過去我們認為,地球上的氧氣主要來自於光合作用,但這一現象表明,甚至在無光的深海環境中,氧氣也能通過無機物的電化學反應生成。這意味著,我們對於地球早期氧氣循環及生命演化的認識可能存在重大疏漏。

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尤其值得注意的是,多金屬結核的形成需要氧氣,而這些結核大量出現在深海中,是否表明早期地球上就已經存在非光合作用的氧氣生成機制?如果是這樣,暗氧是否可能推動了地球上生命的起源?這一問題仍然未有定論,但暗氧的發現無疑為生命起源的研究開闢了一條新的途徑。

未來的挑戰:開採深海資源還是守護地球最後的「淨土」?

除了科學研究的價值,多金屬結核也吸引了全球對於深海資源開採的興趣。這些結核富含稀有金屬,特別是對電池生產至關重要的鎳和鈷。然而,大規模的深海開採可能會對海洋生態系統造成嚴重破壞。

對於發現的深海資源,是要開採?還是選擇守護海洋生態? 圖/envato

首先,深海採礦可能導致噪音和光污染,破壞深海生物的棲息地。此外,採礦過程中產生的懸浮物可能對海洋生物,尤其是水母等生物造成生理負擔。研究顯示,水母在模擬的採礦環境中會因應對懸浮物而消耗大量能量,這可能削弱其免疫系統並降低生存率。

因此,雖然深海資源的開採看似能解決當前的能源危機,但國際間對此議題的爭議仍然持續。全球已有32個國家支持暫停或禁止深海採礦,呼籲進行更多的生態影響研究以確保環境保護。

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暗氧的發現,不僅為科學研究帶來新的挑戰,也為深海資源的開採提出了更高的要求。在能源危機與生態保護之間,我們需要尋找平衡點。未來的技術或許能夠在不破壞環境的情況下,模擬自然過程生成多金屬結核,從而實現可持續的資源開採。

此外,暗氧現象的發現也為探索外星生命提供了新的思路。當我們在其他行星上發現氧氣時,不一定意味著那裡存在光合作用生物,可能是類似多金屬結核的無機反應在默默進行。這一發現或許將改變我們對地外生命的定義與尋找方式。

深海的秘密仍在不斷被揭開。從暗氧的發現到多金屬結核的開採,這片未開發的疆域將在未來的科學探索與資源爭奪中扮演至關重要的角色。無論是能源危機的解決還是生態系統的保護,我們都應以謹慎且負責任的態度面對這一未知的領域,避免打開潘朵拉之盒。

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海廢問題怎麼解?竟然有人回收漁網做筆電!?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 HP 委託,泛科學企劃執行。 

海廢問題怎麼解?竟然有人回收漁網做筆電!?

你知道嗎?地球上最大的垃圾場,就是我們的大海。全世界一般依據位置,將海洋廢棄物分為海岸、海漂與海底三大類。英國麥克阿瑟(Ellen MacArthur)基金會曾預測,我們的海洋,到 2050 年會變成垃圾比魚多的塑膠濃湯。其中,最有名的就是太平洋垃圾帶(Great Pacific Garbage Patch),它的面積有 3 個法國和 44 個台灣那麼大。

到底是誰在亂丟垃圾?垃圾與它們的產地在哪裏?

科學家發現,漁業大國貢獻了不少垃圾,台灣更是榜上有名!雖然從陸地而來的垃圾量也很可觀,但來自漁業活動、源於海洋的廢棄物如漁網漁具,更難回到岸邊,因此成為海上最主要的垃圾。科學家推算,每年大概總計有四成的漁網漁具會掉到海中。

從太平洋垃圾帶撈回來的垃圾分析,其中 46% 就是廢棄漁網。科學家還一一檢視垃圾上的標籤字眼,發現源頭是五個北太平洋的漁業大國——日本、中國、韓國、美國及台灣。更別説全球還有另外四個海洋垃圾帶,所有垃圾量加起來勢必會更驚人。

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但也先別急著怪漁業從業人員,因為他們也不一定是故意要亂丟垃圾的。瞬息萬變的大海,本來就不是一個好作業的地方,破壞、遺失設備是常有的事。不過海洋垃圾問題如此棘手,難道就沒有解決方案嗎?

圖/shutterstock

人類與垃圾帶的對決,勝算到底有多大?

其實已經有不少人投身清除海洋垃圾的工作。大家還記得太平洋上的海洋吸塵器嗎?這個由「海洋清理行動( The Ocean Cleanup )」發起、號稱史上最大海廢清除計劃,雖然一開始出師未捷身先死,下水沒幾個月就故障,但後來升級調整後,已在今年 5 月完成執行第 100 次的任務。

除了清除海上的垃圾,從河川攔截也很重要。The Ocean Cleanup 還研發了攔截者(The Interceptor),它是一艘太陽能自動船,船頭設有一道垃圾集中屏障,能將垃圾引導進入船上的收集系統再集中處理。

其他活躍在海洋垃圾清除前線的,還有來自澳洲的全自動海洋垃圾桶 Seabin,被裝設在港口碼頭的它,透過底部幫浦製造水流,讓海廢可以從水面被吸入,小至 2 毫米的微塑膠也可被收集到其纖維網袋內。印度的 AlphaMERS 團隊,則設計了攔截漂浮垃圾的柵欄與串聯清掃系統,可以清除河川與湖泊表面的廢棄物。有標誌性大眼、水車造型的 Mr. Trashweel,被設置在美國巴爾的摩港口,結合太陽能與水力發電,使用清除海上油污的攔油索,將垃圾引導到它的垃圾箱中,每年可攔截 500 噸垃圾。荷蘭的泡泡屏障 the Bubble Barrier ,設計原理也相當聰明,它會從水底產生「氣泡簾」,引導塑料垃圾到水面上,再利用水流把垃圾推向捕獲系統,克服了大型撈網會阻擋船隻或海底生物,以及高維護更替成本的問題。

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廢漁網改頭換面?

不過要讓海廢界的奪命殺手——廢棄漁網「洗心革面」,在技術上有一大難關,因為漁網主要是以尼龍製作的。尼龍是聚硫胺高分子(Polyamide),在分子主鏈上因為有大量高極性的化學基,分子鏈間作用力較强,還能在產生氫鍵的同時,使結構排列整齊,造就了它優秀的韌性强度。

圖/HP

但如果用回收寶特瓶的「物理回收」,即沒有改變其聚合型態的方式來回收尼龍,尼龍的分子鏈就會斷裂,大幅影響纖維的機能性,走上被降級使用一途。好在如今已有廠商研發出「化學回收」尼龍的技術。收集來的廢棄漁網先被清洗、切碎成段,接著被高溫熔融,再透過像「術式反轉」的解聚(depolymerization)、分解、精煉及純化工序,讓尼龍從聚合物還原到單體狀態。這些原料單體會再被聚合,製造成尼龍再生粒子。被混煉改質、强化性能的粒子重新進行紡絲後,會形成全新的尼龍纖維,就可以被無限循環利用啦!

這種做法,可以大大節省原本用來製作原生尼龍的石化資源、減少碳排放,還可以讓廢棄漁網重獲新生。再生尼龍可以拿來做衣服、眼鏡,甚至可以搖身一變,變成你桌上的筆電!

「親愛的,我把漁網做成筆電了!」是誰這麼瘋?

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圖/HP

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圖/HP

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參考資料:

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