有機太陽能電池也想穿金戴銀

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

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。

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 奈米或 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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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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• 作者／齋藤勝裕，本文摘自《改變世界的碳元素》，世茂出版，2020 年 09 月 30 日

化學家無不有著「想要製作極小機械」的願望。說到極小的機械，那就是僅由 1 個分子作成的機械，世界上不存在比這更小的機械。「這有可能實現嗎？」雖然有些人會抱持懷疑，但在 8-3 出現的分子夾，就算不能說是「機械」，也可作為「工具」。

既然如此，何不索性用 1 個分子組成汽車？基於此概念作成的就是單分子汽車。是不是非常符合碳元素王國的國王「專車」呢？

單分子單輪車

一開始便想要用分子製作「汽車」，門檻好像有點過高，所以一步步按照單輪車、雙輪車的順序來嘗試吧。首先，以一個分子組成一個輪子的汽車，能夠做出單分子單輪車嗎？

實際上化學家已經做出來了。雖然外觀跟常見的單輪車不同，但馬戲團小丑踩踏的球，也可說是一種單輪車？如此想來，可以使用前面 2-3 所說明的球狀分子，把 C₆₀ 富勒烯當作球本身，這樣便可製出單分子單輪車。

單分子雙輪車

接著是單分子雙輪車。這個也很簡單，只要將 2 個富勒烯與直線狀的分子連接就行了，可以利用直線狀分子乙炔 HC≡CH。如此一來，也可製作出單分子雙輪車來。

單分子三輪車

如下圖所示，也可製作出單分子三輪車來，但這跟現實中的三輪車有些不同，3 個「車輪（富勒烯）」鍵結成放射狀。結果，這台三輪車沒辦法向一定方向前進，僅能在固定位置旋轉。

化學家利用這個富勒烯單分子三輪車，置於黃金的晶體上，觀測到的動作如同預想，單分子三輪車僅在原地不停旋轉。

繼續研究下去。為什麼這台三輪車會持續在固定位置旋轉呢？如果此分子的動作僅是熱振動，或者在黃金晶體表面滑動，應該不會產生旋轉運動。如同預期，「旋轉運動」這件事證明了，作為車輪的富勒烯確實發揮車輪的功能，產生旋轉運動。這在化學上可說是意義非凡。

我們知道人們「需要讚美」，化學也是如此。在發表實驗結果的時候，重要的是最大限度解讀結果中的意義，「讚美」實驗結果。如此一來，即使實驗結果沒有震驚全世界，也是對研究人員的一種肯定。「雖然是項無趣的實驗結果，還請容許我在此向各位報告」若是這麼說，就太辜負研究人員的努力了。

單分子四輪車

右頁上圖是單分子四輪車，目前已經實際合成出來了。這個分子有一個「工」字型底盤，上面帶有4個輪子，沒有少掉任何部分，是完全的單一分子。右頁下圖是該分子置於黃金晶體上的移動軌跡。重點在於，分子僅沿著短軸的方向移動，若要改變行進方向，此時分子會自動旋轉。這表示車輪的確有轉動前進。

自力移動的「單分子汽車」

遺憾的是，以上的「汽車」皆沒有引擎，沒辦法獨立移動，需要有外物拉引才能移動，感覺像是令人懷念的人力車。

那麼，我們是否無法製造自發性移動的分子汽車？不，自己發動、自力移動的單分子機械已經製造出來了。

2017年，舉辦了集結世界各地單分子汽車的國際賽事。會場設於法國土魯斯（Toulouse），稱為「奈米車賽」（Nano Car Race），共有 6 台車報名競賽，其中也有來自日本的分子車。

各位讀者覺得如何呢？雖然一時可能覺得難以置信，但這絕對不是在開玩笑。碳元素王國如此進步，已經進步到無論想要製作什麼樣的分子都不是問題。

然而，如下圖的簡單四角形分子環丁二烯（cyclobutadiene），至今卻沒有辦法合成。

這並不是因為化學不發達，而是根據前面的「前緣軌域理論」（參見 2-5），理論上無法做到。然而，這僅只是「分子的集合體不可能合成」，但若在周圍沒有其他東西，假設「宇宙空間中僅有這 1 個分子」的狀態，已經證實是有可能製作出來。實際上，學者已在實驗的狀態下成功合成了環丁二烯分子。能夠在理論上證明這件事，也是碳元素王國實力的一環。

我們都知道黑黝黝的石墨與晶瑩剔透的鑽石其實都是由碳元素所構成，差別只在於結構不同。石墨中的碳原子是像蜂巢狀那樣六角形排列的平面結構，鑽石內部的碳原子是結構緊密的正四面體。長久以來，科學家相信單一碳元素形成的結構就這兩種，然而，1985 年 11 月 14 日，科學期刊《自然》上的一篇論文卻推翻了這看法。

這篇論文的作者是英國化學家克羅托（Harold W. Kroto, 1939－ ）、美國化學家斯莫利（Richard E. Smalley, 1943－2005）、柯爾（Robert F. Curl, 1933－ ）及另外二人。克羅托是以訪問學者的身份來到斯莫利的實驗室，原本是要研究碳鏈分子的形成機制。1985 年 9 月 4 日，他們用雷射射向氦氣中的石墨，再用質譜儀檢測汽化蒸發的碳分子，結果原子量為 720 的信號異常強烈，他們才赫然發現自己製造出一種前所未見的碳原子結構──由 60 個碳原子組成的C₆₀。

C₆₀ 的形狀就跟現代足球一樣，是由 12 個正五邊形 20 個正六邊形構成的 32 面體，碳原子就位於 60 個頂點。因為這形狀類似美國建築師富勒（Buckminster Fuller）於 1967 年在蒙特婁世界博覽會，首創的球形穹頂建築，因此他們把 C₆₀ 命名為 ”Buckminster fullerene”，簡稱「富勒烯」。

他們的論文發表後雖然已起各界注目，但普遍認為這只是實驗室中在特殊條件下才有的產物，意義不大。然而 1992 年，就在俄羅斯的地底礦石中發現富勒烯；2010 年，史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）又在六千五百光年外的星塵中發現 C₆₀ 的特殊信號，證實了自然界也存在富勒烯。

克羅托、斯莫利、柯爾三人於1 996 年共同獲頒諾貝爾化學獎。其實早在 1980 年，日本的飯島澄男用電子顯微鏡分析碳膜時，就觀察到富勒烯的洋蔥狀結構，1991 年他又發現了奈米碳管，可惜與諾貝爾獎無緣。後來科學家也又陸續發現由更多的碳原子組成的球狀、橢圓體、管狀等各種不同立體結構的富勒烯，而其中球狀的富勒烯也簡稱為「巴克球」。

富勒烯具有獨特的化學和物理性質，例如奈米碳管的強度比鋼高一百倍，密度卻只有後者的 1/6，可作為太空電梯的纜繩。隨著奈米科技日漸成熟，可以預見各種富勒烯將在材料、光電、及醫學等不同領域，展現以往難以想像的發明與應用。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。