超微小的矽壓阻式熱引擎

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

工業革命是從對熱與動力的關係開始，因為發現了怎麼把熱有系統的轉成機械能，於是熱機開始推動了各種機器，把人從勞力中解放，才讓人類的社會進入了一個新的時代。傳統的熱機基本原理是經由熱機中介質的膨脹收縮，把能量由熱的流動中擷取能轉換成機械能的部分來使用。但是這樣的熱流動跟機械能的轉換其實發生在更多地方，不是只有像引擎那樣的設計才能做到。其中有一類的運動是因為不均勻加熱而讓物體表面產生流體的運動，當這樣的效應以微觀層次來看的時候，只有一個粒子放在流體裡，溫度梯度讓小粒子開始跟表面的流體有相對堆進，就會看到所謂的熱泳動現象－粒子會在溫度梯度中運動 －這個過程同樣是由熱流來產生機械能。

利用這樣的原理，影片中設計出一種單邊鍍金的玻璃小球，大小只有萬分之一公分。因為照射光之後，鍍金的那邊會因為吸收光而被加熱（就像陽光下金屬會很燙一樣），所以會讓周圍的液體開始往鍍金那方向流動，粒子自己則往沒有鍍金的方向跑。利用這種效應，只要把兩顆這樣的粒子接在一起，就變成了一個小旋轉引擎，只要一照光就不停的旋轉。影片中可以看到旁邊沒有固定的粒子正在做布朗運動，而被固定住的小馬達（有一半黑黑的粒子）也因為布朗運動而不停的前後擺。當一照光之後，固定的粒子開始旋轉，因為熱梯度產生的液體流動也把那些晃動的粒子吹開。這實驗證實了這樣的效應存在，只要好好設計也有很大的效果。這研究雖然設計簡單，但卻是貨真價實的熱引擎，或許一些微小機械設計有一天都能基於這樣的熱功原理被做出來。其實在自然界的生物中，各種生物分子也不停的消耗能量並轉換成各種分子運動，或許是細胞骨骼的變動，許是酵素的催化震動。也許過不了多久，熱機的概念跟粒子的非平衡運動就會走到跟生物分子相遇的那天了！

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 – 非平衡軟物質 目錄

本文原發表於科學影像Scimage

[Original publish date:Jan 23, 2011]

編輯 HCC 報導

荷蘭物理學家利用矽壓阻材料［piezoresistive silicon］設計了超小的熱引擎，可能應用於鐘錶機構或機械感應器。原始論文：“Piezoresistive heat engine and refrigerator”，Nature Physics　(2011) , doi:10.1038/nphys1871

熱引擎一般依賴液體或氣體的膨脹與收縮而運作，當元件體積變的更小，工程師發現若需要獲得合理的功率輸出，要設計能處理高壓與流體速度的結構是相當的困難。由卡諾熱機方程式得知，效率需要極大的溫差，所以元件變小時，效率跟著降低，所以液體或氣體驅動的熱引擎體積很少會小於10的7次方 立方微米。

荷蘭NXP Semiconductors公司的Peter Steeneken與其同僚使用以結晶矽製作的壓阻塊克服了上述限制。壓阻材料的電阻隨著外加壓力而變化，受壓時，電阻增加，材料膨脹時，電阻降低。

Peter Steeneken研製的微小熱引擎包含一個平坦的結晶矽共振器，體積為1125 立方微米，於一端帶有兩支平行樑，體積很小，僅0.34 立方微米。共振器外觀很像附有一個重底座的音叉。因為兩支平行樑根部固定在基底上，所以當其中的一支樑以毫安培直流電加熱時，整個元件會上下撓曲。

元件操作的關鍵點為樑的溫度、壓縮與電阻之間的相互作用。當元件受壓時的電阻最大，電阻隨之增加溫度。不過升溫讓樑延伸，電阻跟著下降，溫度也往下落。低溫再次讓樑受壓，整個過程以超過1.2 MHz的頻率進行振盪運動。

Steeneken認為機械元件較單純的電子震盪器更為穩定，所以此元件可以替代鐘錶裏的石英震盪器與電子放大器，Steeneken也相信由於震盪頻率隨著質量大幅改變，因此該元件可以當作感應器。

甚至此熱引擎可以兼作致冷機［refrigerator］，此時兩支平行樑不與電流源連接，而接上電壓，所以經由布朗運動施加在元件上的震盪被減弱，因此能冷卻週遭環境。一個微小的致冷機能用來冷卻其他的機械感應器或鏡面，降低熱噪音，從而提高精度。

Steeneken的熱引擎係以電流加熱，Oregon State University工程師Richard Peterson認為若Steeneken能以熱源驅動震盪器，論文將更有見地。

參考來源：

• Physics World : Heat engine may be world’s smallest