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科學家意外發現的晶體與它的藝術美學

dr. i
・2014/08/25 ・2812字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

(本文同時刊載於 dr. i 部落格 Facebook

一個平凡的下午,工作累了捧著一杯剛煮好的咖啡走到陽台,看到的是對面大樓外牆排列得井然有序的長方形窗戶,和陽台邊的柵欄,一樣是有規律地重複著同樣的間隔。環顧我們的生活空間,好像規律性的結構無所不在,例如樑柱、磚瓦和地磚等等的各種人造物體,很容易地讓人誤以為只要是有規律的結構,一定就是人造的。而大自然中難道就不存在這樣的規律嗎?其實有的,最典型的例子就是晶體(Crystal)。

什麼是晶體?講講生活中常見的例子很多,料理中常用到的糖和鹽都是晶體,還有金屬、水晶和寶石等等。

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圖 1 鹽的晶體

意外發現不凡的晶體

一般人認為,晶體是所有固體最基本的特徵,並且是由「原子或分子按照一定的週期性,在空間排列成具有一定規則的幾何外形的固體。」至少很多教科書都還是這麼寫著。

但是在1982年的一項發現,顛覆了這個說法,而這個發現就是「準晶體(Quasicrystal)」。

1982年四月的一天早晨,當時在美國標準技術研究所(NIST)客座研究的以色列籍科學家丹.舍特曼(Dan Shechtman)在實驗室中用晶體學觀測鋁錳合金時,發現了一個不可能出現的繞射圖(圖2)。繞射圖是材料學家常用的一種技術,他們用高能量的光線像是X射線或是電子束照在晶體上,當這些光線穿透過晶體後打在螢幕上,所得到的就是晶體繞射圖,而分析它就能夠得知這個晶體的型狀和結構。

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圖2 舍特曼在實驗室所觀測到的晶體繞涉圖(左圖),分析過後可見五角形的結構(右圖)

話說回來,為什麼舍特曼所觀察到的繞射圖不可能出現呢?因為長久以來,科學家認為晶體必須要是有週期性地排列,才能延續性地填滿整個平面或空間,而如圖3所示,某些幾何形狀像是五角形是不可能週期性地排列,所以被認定無法成為晶體。而舍特曼在實驗室裡看到的繞射圖顯示晶體擁有五角形的對稱性,正是先前科學家認為不可能存在的晶體結構。

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圖3 中看的出來3、4和6角形都可以週期性地延伸,但五角形卻沒辦法。

舍特曼十分瞭解這個發現所蘊涵的意義,當下很興奮地從實驗室衝到外面走廊上,找人想要分享這個天大的消息,但是走廊上空無一人,他只好再乖乖地回實驗室做進一步地確認。接下來不管他用什麼方式去確認,證據都確實顯示了這個突破性的發現。

 排山倒海而來的質疑

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圖4 以色列籍科學家丹.舍特曼

若你以為科學界會因為舍特曼的發現而歡聲雷動,那可就大錯特錯。當時所有科學家都強烈斥駁他的實驗結果,很多人第一時間斷定是實驗出錯才有可能得到這個結果。

而接下來兩年的時間,他不斷辛苦地捍衛自己的實驗結果,並持續承受其他科學家包括同事們的批評甚至輕蔑,嚴重到當時研究機構的負責人將他趕出團隊,認為整個團隊因他而蒙羞。另一位強烈的反對者是鼎鼎大名的物理學家,並且得過諾貝爾獎兩次的萊納斯.鮑林(Linus Pauling),他到死前都公開嚴厲地反對特舍曼的研究主張。

一直到兩年後,才陸續有科學家願意接受他的發現,並提出佐證。後續研究顯示,原來該晶體的結構跟另一種數學家所發現的結構相同,叫做「潘洛斯圖案(Penrose Tiling)」(圖5)。

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圖5 潘洛斯圖案(Penrose tiling)

準晶體的特性

潘洛斯圖案(圖5)是由英國劍橋大學的數學物理學家羅傑.潘洛斯(Roger Penrose)所發現。這個圖案有什麼樣的特性呢?其中很重要的就是它的對稱性。

這個世界所存在的對稱性分為三種,第一種對稱是所謂的「平移對稱(Translational symmetry)」,就是把一個圖案往某方向直線移動,如果它能和原來的圖案重疊,我們就說它有平移對稱性。除了平移對稱外,還有「旋轉對稱(Rotational symmetry)」和「鏡像對稱(Reflection Symmetry)」,前者是指你可以對著某中心旋轉圖案某固定角度,它能和原來的圖案重疊,而後者是指將圖案對著一條線對折後,圖案可以重疊。所有的對稱都可以用這三個項目來分類。

很特別地,潘洛斯圖案具有「五角形旋轉對稱(5-fold rotational symmetry)」和「鏡像對稱」,但是卻沒有「平移對稱」,也就是說它沒有一般科學家對於晶體所要求的週期性。這個圖形全由兩種菱形不斷地拼接而成,而且如果有人在一個固定面積裡數這兩種菱形的數目,它們的比例會剛好趨近於著名的「黃金比例(Golden Ratio)」。

舍特曼的實驗終於漸漸地被世界各地的科學家重複,並找到相同的結論。事實上很多人曾經觀測到它,但是卻因為不相信自己實驗的結果而放棄深入追究,所以這也告訴了我們相信自己的實驗是多麼重要。

後來科學家們不只驗證了舍特曼是對的,他們更發現了自然界中更多種合金材料有著相同的結構和對稱性,為了有別於以前傳統科學家對於晶體所下的定義,他們稱這種非週期性的晶體為「準晶體(Quasicrystal)」。科學家並發現,有擁這種結構晶體的合金材料特別堅硬。

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圖6 準晶體材料表面的模擬圖。

這個革命性的發現改寫了所有的教科書。1992年國際晶體學協會把原先對於晶體的定義:「一個由原子、分子或離子,規律且重複性排列所組成的三維圖形」正式改為「任何具有干涉條紋的固體(Any solid having an essentially discrete diffraction pattern)」。舍特曼也因此在2011年獲得諾貝爾化學獎。

藝術與設計

造型和結構均是藝術和設計中不可或缺的元素,不管藝術家對什麼結構有興趣,它一定也被科學家研究過,反之亦然。因此,常常會看到晶體在藝術作品中出現。準晶體特別的對稱性讓它看起來不規律,但其中又暗藏著規律,是很多藝術家或設計師喜歡的圖案,也可以說是科學和藝術交匯的最佳範例。

台灣也看得到由準晶體所啓發的藝術作品。dr. i 今年(2014)在台北信義區的五星級飯店「寒舍艾美酒店(Le Meridien Taipei)」(台北市信義區松仁路38號) 內的一樓大廳,完成了一項動態光雕作品《潘洛斯之夢》,歡迎有興趣的讀者可以前去觀賞!

作品說明:「藝術家以英國天文物理學家羅傑.潘洛斯的潘洛斯圖案為發想,特地為台北寒舍艾美酒店量身設計的動態光影裝置。畫面由兩種平行四邊形所組成,圖案的律動與組合無限延伸,呈現科學與藝術的跨領域交匯,以及藝術家對宇宙間美麗定律的探索。」

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台北寒舍艾美酒店一樓大廳由筆者所設計之動態光影藝術(by 劉辰岫)
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皇家墨爾本科技學院(by Michael J. Ostwald)
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皇家墨爾本科技學院(by Michael J. Ostwald)

參考文獻:

  1. The Nobel Prize in Chemistry 2011
  2. N. G. de Bruijn, “Algebraic theory of Penrose’s non-periodic tilings of the plane”, Mathematics, Proceedings A 84, 1, (1981)
  3. A. L. Mackay, “Crystallography and the Penrose pattern”, Physica 114A, 609, (1982)

文章難易度
dr. i
33 篇文章 ・ 0 位粉絲
小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience


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護國神山老本還能吃多久?孵化顛覆創新,臺灣缺什麼?——專訪經濟部技術處邱求慧處長

鄭國威 Portnoy_96
・2022/01/13 ・5854字 ・閱讀時間約 12 分鐘

在特務電影中,通常有一位(或一組)科技專家與之搭配,用魔法般的發明,預料執行任務中可能遇到的各種問題,事先設計發明或炫目或低調的科技。得在垂直的高樓玻璃帷幕上攀爬?沒問題,這是一雙戴上就宛如壁虎的手套。需要變臉偽裝?沒問題,這是一臺可攜 3D 皮膚列印機。需要從飛機上跳下來?沒問題,這是一套可變身滑翔飛鼠裝的西裝……。

如果把臺灣比喻為特務,那麼經濟部技術處就是那位科技專家。或許這麼比喻讓你覺得牽強,但在貿易戰未休、半導體缺貨、疫情一波波、淨零碳中和各種趨勢與危機夾雜的此刻,臺灣的確愈顯重要,也更需要技術手段幫自己脫困突圍。

於 109 年 10 月接任經濟部技術處處長的邱求慧,肩負為臺灣孵化更多科技的關鍵任務。技術處「運用經濟部『科技研究發展專案計畫(簡稱科技專案)』,整合法人研究機構、產業界、學術界之研發能量與軟實力,促成國家創新系統成員間的科技創新連結,開發具前瞻性、關鍵性及跨領域之產業技術,並將研發成果多元移轉落實產業界應用,促進創新研發成果走向產業化與國際化,以厚實產業技術能量,提升產業創新效益。」

上頭這串介紹技術處的文字,引用自官網,也的確「官樣」。這正是邱求慧欲改變的其中一點。「我來之前就已經在變了,我來之後可能變本加厲!」身形高挑、身著合身西裝的他接受泛科學採訪,坦言希望政府的科技成果也能更科普,別老是艱澀又官樣感。「這樣政府做的很多事沒人知道,就很可惜啦。」他說。

邱求慧接受泛科學採訪 / 攝影:吳逸驊

我來,是為了發展 100 個故事

雖然網站上關於技術處的介紹不太親民,「技術新知快遞」、「產業技術知識+」等專欄的內容亦針對產業界撰寫,稱不上科普。但技術處早就整合了 20 多間研究機構(工研院、資策會、生技中心、金屬中心等),透過「解密科技寶藏」的網站、社群媒體跟實體展覽,積極地想讓這些成果「被看見」。

邱求慧說,雖然技術處與法人面對的廠商大多都很專業,但也不是專業性都那麼高。而且再怎麼專業,也得跨領域跟其他專業互動。同時作為政府一環,技術處也要對立法委員、一般民眾溝通,讓大家都能懂。因此他要求同仁未來產出的內容別再官樣,要更科普,讓技術處裡處外與民意代表都能懂。

在去(2021)年 10 月,行政院跨部會主辦之台灣創新技術博覽會(前身為台北國際發明暨技術交易展)期間,技術處展出約 80 件具前瞻性及產業效應的技術。身為領導人,邱求慧積極現身推廣,邀請吳淡如、路怡珍兩位各具影響力的 Podcaster/YouTuber 合作,用輕鬆、聊天的方式談展出的技術。

2021 創博會展出各種具前瞻性及產業效應的技術,如自動駕駛。圖/台灣創新技術博覽會

「例如路怡珍就問我,什麼是 WiFi 雷達?」說到 WiFi 大家都知道,但 WiFi 雷達其實是用來精準定位跟監測人體生理訊號,由工研院在技術處支持下開發成功。簡單來說,就是像蝙蝠的聲納。WiFi 雷達可以用在電廠鍋爐爐管檢測、提高人員作業安全;也可監測是否有粗心父母、飼主把小孩子或寵物遺忘在車上;由於能感應呼吸心跳、翻身次數,WiFi 雷達也可用來偵測睡眠品質。邱求慧表示,就是要透過不熟悉這些技術的網紅,來幫大家問出專業覺得稀鬆平常、但對非專業卻隔層山的問題。

除了帶來外部流量,邱求慧也強化內部賦能。例如在為研究機構(法人)辦的講座,邱求慧請來《TVBS 一步一腳印》的主持人詹怡宜與暢銷作家/故事教練許榮哲對教科技人「怎樣把科技的故事講好」,「技術如何服務社會」。

「以前的技術處長可能是來發展 100 個技術,我來這邊,是為了發展 100 個讓人記得的故事。」他以身作則,親自訪談技術處企業創新研發專案補助的案例,挖掘故事。他說得很直白:「我看官樣的影片、文章,馬上就略過了啦!所以我來了以後就跟同仁商量,能不能換個方式,把過程中的故事擷取出來。」

邱求慧接受泛科學採訪 / 攝影:吳逸驊

補助是沃土植花,非錦上添花

在受訪前一天,技術處剛發表一則微電影「那些足球教我的事」,講的是聯發科獲得技術處「A+企業創新研發淬鍊計畫」的故事。邱求慧記得剛到技術處述職,就被質疑:「聯發科已經是傑出的廠商,為何還要靠政府補助?」由於這是他來之前的決策,一開始他也無法回答。

後來與聯發科總經理黃合淇交流,他才了解其中來龍去脈。黃合淇對他說:「你不要看我們聯發科現在很風光,股價破千,但我在申請的時候股價才 200 多。」由於在 4G 階段,聯發科進度發展落後,與競爭對手高通的距離拉大,現金流短缺,研發經費只有高通的 ⅓ ,這時迎來 5G 競爭,明顯居於弱勢。

5G 以頻段區分,可分成 6 GHz 以下的 Sub-6 與 24GHz 以上的 mmWave 毫米波。高通選擇發展 Sub-6 GHz 與 mmWave 毫米波整合晶片,聯發科卻只發展 Sub-6 窄頻晶片,這在當時是個風險極高的大賭注。然而後來由於各國市場考量成本與產業生態鏈,率先採用 Sub-6,反而讓聯發科獲得先發優勢,恢復元氣,成為現在的破千股王。邱求慧表示,回到那個時間點,聯發科面臨的挑戰極為嚴峻,畢竟 5G 若再失敗,遑論 6G。

聯發科以 Sub-6 窄頻晶片,在 5G 市場上取得先發優勢。圖/Pexels

雖然經濟部破紀錄補助了 7 億,但聯發科自己投了 300 億。「我問他說:7 億跟兩三百億差那麼多,還要花時間寫報告給政府,何必呢?他說那是一個信心,代表政府願意跟他站在一起,去幫他背書。雖然聯發科在台灣很大,但在國際上的競爭對手更大。」

邱求慧笑著說,成功之後,人們才說現在股價那麼高,怎麼還拿政府補助?但誰想起 4 年前那場豪賭?於是他決定邀請導演,將這故事透過微電影演繹。

「作為處長,資源怎麼分配是很大的難題。」邱求慧語氣慎重地說,如今台灣大型科技企業每年研發經費至少 6000-7000 億,但技術處的 A+ 計畫補助一年才 20 億,補助對象還包括外國企業,如 A+計劃下的「全球研發創新夥伴計畫」邀請與我國企業有互補互利關係之外國企業在國內共同研發,補足研發升級之缺口。他另外補充表示,經濟部工業局的產業升級創新平台輔導計畫(TIIP)每年也才 10 億多,與 6000-7000 億的企業研發經費根本不同規模。

「40 年前,台積電可能可以靠政府全力支持站起來,但現在企業已經發展得很強了,不可能一體適用。我們只能挑有潛力、要起步的新創,幫助他們越過死亡之谷,或是挺現有企業挑戰極為困難的課題。」邱求慧說。

因此他認為政府的補助就算是雪中送炭,也只能送給有潛力的哪些。如何看懂、挑中潛力者,帶回千百倍的效益,就是他與技術處的挑戰。他強調:只要企業迎向挑戰,面臨巨大風險,政府會幫一把。「我是在他需要的時候支持他,不是在他好的時候。」

科技要有社會影響力

另外一部技術處近期上傳的影片「我的黑手阿爸」,則是傳統機械工廠的數位轉型故事。在技術處支持下,工研院開發了「智慧機械雲」,這是一套簡易的傳產數位轉型方案,透過數位機上盒收集機台資訊,讓資料透通,還可進一步客製化,基本的 ERP、進銷存、物流管理等服務都有,進階 App 如「射出機通訊模組」、「幾何公差標注模組」、「工具機剛攻性能評價」等熱門項目,皆可免費下載。

邱求慧說,要黑手老闆花 200 萬導入科技專案很難,要把 200 萬賺回來也很難,因此政府直接提供解決方案。為了推廣,技術處做了田野調查,找到一對父子,爸爸是黑手,兒子則在工研院服務,想用智慧機械雲幫忙,但卻被父親痛斥,覺得是在否定自己把孩子拉拔長大的技術。當然,父子後來互相諒解,攜手合作,按照數據反饋調整機台,提升良率。拍成微電影後,很多老闆看了,對機械雲興致大增,很快會員數就破千家。

結合新科技,傳統工廠也可以很先進。圖/Pexels

以身作則說故事之外,邱求慧更進一步改變法人的績效指標,加入一個評量重點:社會知曉程度。他表示以前的指標不外乎專利數量、技轉金金額、成立公司家數……「但以後還要看有多少外界的人知道、在乎我們在做什麼」。

顯然,單向說故事並不夠。邱求慧要求技術處與旗下法人要重視社會影響力,以實際行動改變偏鄉、弱勢處境,解決問題。「政府存在,本來就是要照顧弱勢,解決市場失靈的問題。」以南投縣仁愛鄉的科技食農驗證場域為例,由於近年來山區缺水,導致作物收成不理想,技術處透過科技專案,導入工研院的農工整合技術,例如環境感測精準滴灌,能節省工時與一半以上的用水。或是針對當地特色作物「大和當歸」做 DNA 鑑定,採取「多重壓差萃取技術」,分析其含有豐富植物多酚、黃酮素等高抗氧化物,再加工開發「大和當歸薰香」、「大和當歸複方多醣體養生飲品」、「護手護足精萃」等產品,做到全株利用零廢棄。

「我們用經濟部技術處的品牌來跟通路洽談,跟農委會與交通部一起合作,打造伴手禮跟智慧旅運。例如一個小農要載貨到鄉公所,但沒有車,就可以用在地專用的叫車服務來集客、隨選駕駛。」邱求慧表示,技術處整合這些科技,帶來觀光客、讓物暢其流,也為地方創生打下基礎。本身熱愛登山跟歷史的他更興奮地表示,離仁愛鄉公所不遠,就是當年莫那魯道逃亡的路線,富有傳奇色彩與歷史意義,很期待當地能逐步整合這些特色。

接地氣還要接未來

介紹專案,邱求慧興致勃勃,談臺灣科技的下一步,他則戰戰兢兢。

他表示,技術處「永遠都有選題的問題」。淨零碳排、美中貿易戰、後疫情時代都是重要趨勢,但與其見風轉舵,他更在乎法人的創新力。

「法人的角色,在台積電成立後,偏向幫現有廠商解決技轉問題。做前瞻技術,成為新創的,比例不到 1%。」他稱這些都是「累加性的改良」,而不是「顛覆性的技術」,是在既有的神山上堆石頭,而不是另一場恢宏的造山運動。

他坦言「新的技術進到既有公司,有董事會、營收壓力,反而會壓抑突破性的創新。」新創公司的時間感則不同,比養在內部的團隊更有機會點燃創新。即使這兩年台灣半導體備受全球關注,他亦不諱言這是臺灣吃了 40 年的老本。韓國有 Naver、Kakao,中國、美國更不用講,臺灣呢?

「我們過去太成功了,在金融風暴時也太成功了,卡在成功的路徑上,覺得這樣很好。但我覺得台灣若再吃老本,也吃不了十年。」因此邱求慧鼓勵技術處與法人從選題開始,就要設想 10 年後,跨大步創新。他的目標是提高法人研發技術衍伸新創公司的比例,從1%提高到 20%。他說,生技公司莫德納(Moderna)的 mRNA 技術,10 年前也被看成笑話,臺灣要有投資 10 年後甚至更長遠的想法,不然只會原地打轉。

他坦言,法人被 KPI 導向思維綁住,待在舒適圈太久。「有哪個專案 KPI 會達不成?久了法人都把 KPI 設定得容易達成,但有產生真正的大效益嗎?」

為了替法人注入衝刺、挑戰的文化,得先移除對失敗的恐懼。邱求慧表示之前法人計畫若沒達成會扣款,但他認為失敗是正常的,失敗不該直接連結懲罰,反要鼓勵失敗繼續衝。因此他甘冒風險,推出一個關鍵改革:法人的研發成果收入上繳,從原本只收現金,改成現金或股票皆可。

他表示法人機構長年下來,已能精算上繳金額跟成長率,但「每年都成長 0.5%」。「我覺得『幹嘛呢?』每年都成長 0.5 %,10 年後也只不過是打平,這樣台灣怎麼會進步?」

雖然股票可能會成為壁紙,但也可能上市,如台積電那樣,成為臺灣下一個 30 年的護國神山。開放法人上繳股票,就是鼓勵法人把技術變新創。「我們就讓他一年成長 10%、20%、30%!當然,也可能後年降 5% ,但平均年成長率可以是 5%-10%。」

他說有人可能罵:為什麼你當處長,法人上繳的金額下降?「但我讓你罵嘛!大家要看長。你會發現,法人過了下一個 10 年,成長率是高的,而不是停滯的。」他滿懷信心,但也認真強調要讓法人去衝。當然,創新也要有風險概念,但「你的風險我幫你承擔,我的風險我想辦法承擔。頂不住我就不會戀棧。」

邱求慧接受泛科學採訪 / 攝影:吳逸驊

法人每年拿很多國內外獎項,有如 KPI 達成之外的加分題,但他認為若要真正彰顯得獎價值,要盡量「把獎項當工具,去為新創募資」,而不是把得獎當成最終目的。

技術處支持工研院研發的「智慧倉庫解決方案」,在 2021 年 4 月得到美國愛迪生獎人工智慧類別金獎,讓工研院連續五年獲得愛迪生獎。邱求慧說,有人質疑工研院怎麼做得過亞馬遜,關鍵在於臺灣地小人稠,才會發展出立體倉儲方案。他期待像這樣的軟體創新能夠更多,成為一股造山力量,畢竟臺灣不能只靠硬體神山。

為臺灣打造科技新神山,是邱求慧的任務,但臺灣的山巒以及此間的古老故事,卻是邱求慧的精神棲地。

「我雖然是工程人,但在生活上都看人文、歷史的書。」他自陳從小就對人文有興趣,雖然由於社會、家庭的期許走上工程之路(還走得非常好),但他始終覺得自己是個「被耽誤的歷史學家」。在工作之餘,人文歷史的探究、山巒林間的縱走,幫他紓解了壓力,讓大腦切換再啟動。

「投入另一個領域,幫自己找到方向,可以 refresh 自己。最重要的是本身有興趣。」他時常在個人臉書上發表自己對古代文獻的研究心得,樂此不疲。

為了寫一篇文章,他要收集百篇文獻,釐清脈絡、時間。去年(2021)10 月,他登新竹五指山,還解開一宗清朝兇殺命案。為了寫這篇,他分析了林爽文事件前幾年,臺灣民眾對政府的不信任,為的是看出歷史事件代表的意義。

「有時候不是科學難懂,而是人們不相信政府。那要做什麼大家才會相信?」做為經濟部技術處處長,愛講故事的邱求慧一方面從歷史學教訓,也要培育科技與創新,讓台灣有值得傳誦到未來的新故事。

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鄭國威 Portnoy_96
84 篇文章 ・ 331 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。