【極光片語】頂尖團隊的社會責任—科學家該如何提問？

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

行銷專家常說要建立公司品牌，就是要讓公司感覺起來像人，性格引人注目、討人喜歡、誘人跟隨。企業都努力建立自己的文化，期望策略風行草偃，讓員工歸屬感強、為自己對公司的貢獻而驕傲——但是有待過公司的人都知道，以上這些都是用想的簡單，做起來就難度倍增。

2011 年的一篇應用心理學研究（論文出處）或許指出了明路。三位應用心理學家 Philipp Otto、Nick Chater 還有 Henry Stott 研究發現，我們形容公司的方式，雖然很多樣化，但整理後可歸納為四大面向，分別是誠實（honesty）、聲譽（prestige）、創新（innovation） 與力量（power）。而這四大面向，就是企業讓人感受到的性格。

上述這四個面向能夠完整涵括我們對企業的看法，而且還與經濟面向相呼應。例如當公司規模較大、獲利較高，往往就擁有較佳的聲譽；而公司成長速度越快，就更容易給人創新的感覺，反之亦然。研究者認為這個發現能幫助公司了解他們在大眾心目中的觀感是怎麼來的，並回頭檢視，來引導跟管理組織內外的個人跟團體，形塑組織的文化。

泛科知識今年與全球半導體巨擘德州儀器（TI）合作，透過多次的專訪與活動來了解 TI 如何透過實際行動來引領公司上下邁向願景、實踐價值，特別是在科技業往往較弱的性別平衡、培植女力這方面。在深入了解這家公司之後，我不禁在想，如果 TI 是一個人，那他具有什麼樣的性格？

「WIN」，要就一起贏

首先，你沒看過之前的系列文章，容我再次說明：TI 的女性倡議 Women’s Initiative (WIN) 目標與任務包括增加女性人才的進用管道、提升女性在科技領域的領導角色，並透過各種社區培力與導師制度，讓年輕女性看見自己在科技領域中的職涯機會。

為了「WIN」，TI 知道僅從上而下提供員工福利不足成其事，更要由下而上，成為「學習型組織」。我們採訪過在台灣推動 WIN 計畫的 Jennifer 鄭惠心、最年輕業務總監 Shirley 潘先俐、測試製造部工程師江雅君 Anna、封裝部製程工程師吳知穎 Ariel 及測試機構工程師張淨涵 Tiffany，更從男性工程師的角度切入，採訪了產品測試部門經理張峯鳴（FM Chang）與女同事共事的感受。透過上述問卷、訪談、活動與回饋，TI 要讓在許多科技公司裡刻意被忽略的性別失衡問題浮上檯面，並將其變成公司的推進力。

日前 TI 為「WIN 計畫」，對內部女性同仁做了問卷調查。問卷調查發現，超過半數（51.2%）的回答者都認為在職涯中，她們面臨的最大挑戰是「家庭責任與職場工作的平衡」，可以見得女性仍在兩者中摸索著平衡前進。問卷也發現，在這樣以男性為主的環境中工作，女性 TIer 認為最大的挑戰是「溝通模式相異」（佔 33.3%），而此處的溝通模式其實也不僅止於男女之間的差異，更彰顯在跨部門的溝通之中。

日前透過內部舉辦的 2020 的女力論壇，三位不同部門、不同世代的女性同仁在對談之中分享自己的心法、面對挑戰的解決方式，讓彼此在這些議題上有更多交流，為的就是讓同仁們在未來面對問題時，能真正擁抱挑戰、跨越障礙。

坐而言，也起而行

從 2017 年起，TI 開辦「科技小學堂」，前進校園和慈善機構，將高深科技的知識轉化，帶到小朋友的日常生活中。今年雖受疫情影響，TI 仍打造一套全新的「半導體 IC 製程」課，前往鄰近的新北市秀朗國小，幫助學生掌握連大多數大人都不太理解的技術，志工老師也在課程最後向小朋友傳達了重要的多元價值—女生也可以當工程師、成為科學家，自在追求喜歡的事物，不應受到性別框架和拘束。

由於疫情干擾，原本排定的一些 CIT（社區參與團隊）行動無法開展，TI 還是結合了母親節，展開為期一個月「為孩子而讀 Read for Kids」科普捐書活動，並在接下來的 7 月 9 日、10 日兩天，召集 30 位熱心 TIer 擔任志工，將募集的 1,150 本科普圖書，打包裝箱捐贈給地方小學。

除了因應疫情做出相關的活動調整，本次更透過 Facebook Challenge 讓每位同仁自主傳播、號召參與，進一步擴大公益活動的影響力，希望在這個不太平靜的一年中，仍然能透過捐書、贈書讓孩子們保持對知識的熱情。

台灣德州儀器封裝事業副總經理 Jerry Huang 表示：「持續回饋社會是 TI 的企業價值之一，我時常邀請家人一同參與公司的公益活動，每次的活動都讓家人和孩子收穫滿滿。今年雖然疫情嚴峻，但 TI 對公益的投入並沒有因而中斷，希望這次同仁們募集捐贈的科普讀物，能讓鄰近社區學校的同學們踏入科學的大門，隨時對世界保有滿滿的好奇心。」

讓員工與公司都成為最好的自己

不論是女力倡議或是企業社會責任，TI 在過程中都展現其半導體本業的性格。在 TI 全球董事長、總裁暨執行長 Rich Templeton 在給全體 TIer 的信中，寫道：「我們的核心價值，是持續透過半導體讓電子產品更加普及，打造更美好的世界。」他希望 TI 員工能秉持企業家精神，視公司如同自己的長久事業而努力，在不斷改變的世界裡，努力調整並取得成功，讓 TI 成為每個 TI 人引以為傲的鄰家企業。為達到這樣的願景，執行長 Templeton 定義「誠信可靠、多元包容、持續創新、具競爭力和成果導向」就是 TI 要淬礪篤行的性格。

有人說性格決定命運，感覺起來很宿命，其實不然。正如開頭提到的研究指出，因為企業的性格與經營成績有關，所作所為也能改變外界看待企業的方式。TI 執行長 Templeton 認為，「所有的員工、客戶、供應商及社區都有選擇。這些人之所以選擇在 TI 工作、向我們購買商品，或是支持我們，並不只是因為我們的產品和技術，更是因為我們的營運符合我們的願景與價值精神。」

在台灣已經 51 歲的德州儀器，在持續變化的環境下，猶如沉水植物般，隨著水位高低而伸展彎曲；對多元人才、性別平衡的重視，就像錯開生長的葉片，能隨著水流擺動，接受來自不同角度的陽光；對企業社會責任的重視跟實踐，則為整個生態系帶來氧氣、營養、與安定——像 TI 這樣的企業，掌握著自己的命運。

本文由德州儀器與泛科知識共同企劃

一講到不同領域的結合，大部份人直覺想到的是自然學科裡的「生物尬電機、迸出新滋味」或是人文學科裡的「文史哲一家親」，會想到文科與理科整合的人可能就不多了，其實在上一集【極光片語】中，日本AIST以機器人科技滿足人性中陪伴的需求，就是個好例子。「人們常以為科學不會考慮到社會問題，只是一股腦兒的往科學前沿衝刺；其實科學對社會有很大的影響，至於科學家要怎麼讓民眾對科學研究有感？癥結在於研究方法和提出問題的形式。」李世光老師說。

李老師擔任國科會工程處處長時，曾率團去澳洲最高國家級研究機構CSIRO和研發出金黃色奇異果的HortResearch（注1）取經，學習這兩個科學研究單位如何關懷社會問題，並提出科學的解決之道。「他們的目標很有意思，叫做『Impact local immediately, influence global fundamentally』（即刻的在地衝擊性，根本的全球影響力）。」李老師說。

免動刀的綿羊脫衣秀

澳洲是全世界最大的羊毛出口國，羊毛不僅為澳洲帶來貿易的獲利，綿羊的脫衣秀也是觀光客必訪的行程，然而彎著腰用電動剃刀為綿羊脫毛衣並不是件輕鬆的差事，羊毛工人平均在42歲時會有脊椎側彎的問題，年輕人對這項工作也興趣缺缺，眼看著產業即將發生世代斷層的危機，澳洲人該如何面對呢？大量引進外籍勞工、開放更多打工度假的名額，似乎都不是長久之計；面對這題快問快答，科學家的答案：「讓羊毛自己掉落吧！」

澳洲CSIRO的科學家研發一種會使髮質變差的藥劑，注入綿羊體內後，只要等待幾週讓綿羊長出一小段易斷裂的毛髮，農場主人就可以像扒香蕉皮一樣，幫綿羊脫去整件毛衣。想像這個畫面或許有點獵奇，其實綿羊斷毛的原理跟警察驗毒一樣，我們的每根毛髮都是一本日記，記錄著每天的飲食、用藥，營養不良時會導致出枯黃的頭髮，代謝後的藥物卡在毛髮裡也無所遁形。科學家發明的「生物剃毛術」，有助於減少人工剃毛所需的勞力，避免可能發生的勞力短缺，直接、立即地解決在地的產業問題。

擊敗那萬惡的澳洲飛蛾

在澳洲的東南方，那個舉世聞名的奇異果王國紐西蘭也面臨了一個挑戰：自從淡褐蘋果蛾（Epiphyas postvittana）從澳洲風塵僕僕的飛越塔斯曼海抵達對岸，紐西蘭的作物幾乎無一倖免的被洗劫一輪，對這個農業大國造成不小的影響，「所以他們說這是萬惡的澳洲飛蛾。（笑）」李老師說，「為了解決這個問題，HortResearch的科學家做了非常精彩的研究！」

面對病蟲害，噴灑農藥是行之有年的作法，後來人們考量到生態浩劫的風險，發明各種對環境較為友善的生物防治法，例如以藥劑或放射線讓雄蟲不孕，絕子絕孫以減少族群後裔、釋放費洛蒙干擾雄蟲求偶等等。「通常研究做到這步驟已經很讓人開心了，HortResearch的科學家卻繼續做了很有意思的事。」李老師說。昆蟲嗅覺研究群的科學家認為，昆蟲的嗅覺會影響覓食和交配，因此他們從淡褐蘋果蛾偵測費洛蒙等揮發性物質的觸鬚開始研究，找到分子進入觸鬚的路徑，再分析這些蛋白質受器的結構與功能，藉由蛋白質體學追溯到控制此嗅覺機制的基因後，再以基因剔除的技術證明了此基因的影響。

從器官到生化反應路徑，從蛋白質到基因，如此打破沙鍋問到底的昆蟲嗅覺研究，不僅有潛力產生出新的蛾類或害蟲控制法，還有機會讓工程領域的研究者開發出創新的嗅覺感應子，「台灣的電子技術加上紐西蘭的生化研究，可以共同開發電子鼻，應用在食品新鮮度測試、有毒氣體偵測、香水開發等無限多種領域。」李老師興奮地說，「當我們把科學和社會問題結合，就會有全新的思路，跨領域的整合就可以衍生出無限多種新的技術和產業！」從應用導向研究所延伸出的基礎研究不僅扎實，對世界產生的影響力也很強大。

係金A！奇異果的真功夫

除了研究萬惡的澳洲飛蛾，綠色和金色奇異果也是HortResearch最負盛名的成果，這些由世界各地的奇異果所育成出的新品種，不僅受到全世界的喜愛，更讓紐西蘭的農業出口成長近十倍，研究單位開發的新品種經由全國各地的小農各自生產，再由所有農戶共同擁有的公司統一行銷，這種產銷系統需要非常完善的採摘後管理，因此，紐西蘭奇異果背後的功臣除了育種、生產、生態保護和植物病蟲害控制等農業基本成員之外，更加入了強大的保存加工技術和市場研究等新角色。

為了讓奇異果的外銷更成功，FortResearch很謹慎的研究各地消費者的喜好，包括氣味、顏色、口感等等，他們為此建造一間品評室，請不同族裔的人於此試吃各種不同的奇異果。為了減少操作人員造成的變因，受試者必須獨自坐在面牆的桌子前，牆上有一個像是購票亭的小窗口，窗口的對面是食物準備室，研究員經由窗口遞食物給受試者；為了測試顏色對食品喜好程度的影響，品評室也可以改變燈光的顏色：白光、紅光或全暗等等；為了標準化難以計算的喜好度，受試者不是像選秀節目評審一樣打出分數，而是拿著一把尺，在試吃完奇異果後，用手決定得分應該落在尺的左邊（不喜歡）或右邊（喜歡），手指捏著的刻度就是量化過的喜好度。這些嚴謹的研究讓李老師感到驚艷，他說：「這些科技化、量化的測試，背後的研究室和研究方法，比我想像的公正很多。」

即刻的在地衝擊性，根本的全球影響力

有些科學家用科學方法解決社會問題，另一些科學家則將特殊的社會現象化作研究的助力。中研院的南島文化研究所曾經結合台大等單位的研究人員提出一項關於南島語族的跨領域研究計畫，向科技部申請了600萬的經費，負責審核的長官非常支持這個計畫，但他對預算感到疑惑：「600萬的經費怎麼夠呢？光是研究人員前往菲律賓、印尼、紐西蘭採血、訪談的交通費就不夠了吧？」計畫主持人如此回應：「不需要出國，我們每個週末去中山北路就可以了！」台灣有許多來自東南亞國家的外籍移工，離鄉背井、工作辛勞的他們趁著週末假日的難得空閑，在台北火車站到中山北路一帶與同鄉聚會，中研院提出的這項計畫即充分運用了台灣人口組成的優勢，降低研究的門檻。

無論是澳洲的綿羊、紐西蘭的淡褐蘋果蛾和奇異果，還是台灣的南島語族研究，都是以提升人民的福祉為核心目的，並且與當地社會緊緊相扣，「一流的研究團隊必有社會責任，只有從社會問題出發的科學研究，才能達到『Impact local immediately, influence global fundamentally（即刻的在地衝擊性，根本的全球影響力）』。」李老師說。

科學家能以科技實踐天馬行空的想像，為社會中的種種問題找出解答，但自然科學對人類社會的影響力，應該沒有比「網路」更廣大的了。虛擬的網路連結了實體的社會，物品、製造業、城市的數位化產生了現在當紅的物聯網、自造者、雲端等新名詞，生活及產業皆因為數位科技有了劇烈的變化，身在網路此山中的我們，看得清虛實整合世界的真面目嗎？預知詳情，請待下回揭曉～

注1：HortResearch 於2008年與Crop and Food Research合併為Plant and Food Research。

【極光片語】專欄收錄李世光老師的訪談，每一段小故事、小物件的背後，都有饒富趣味的科學道理。吉光片羽比喻殘存的珍貴文物，象徵李世光老師在科學研發的高昂志氣和人生智慧；傳說見到極光會帶給人一輩子的好運，期待讀者在本專欄得到的啟發，都能像看見極光般感動。

http://www.youtube.com/watch?v=zW4x0grQT2U

在上一集的【極光片語】中，博學多聞的IBM研究團隊以跨領域知識化解危機，順利地推出了磁碟機這項史上第一個商業化的隨機存取裝置，間接讓全球經濟逆風高飛，當時科學家們為了提高碟片的空間儲存密度，無不想盡辦法縮小磁軌，好在一張碟片上塞入更多資訊，當科學家終於把磁軌縮小到奈米等級後，卻面臨了新的難題：磁軌太細了，沒有儀器能夠測量這麼微小面積的磁力分佈，要怎麼繼續做研究呀？「你們的聲音，我都聽到了！」專門研究探針掃瞄的IBM科學家Jonathon (John) Mamin說，「快來試試我這台用原子力顯微鏡改裝成的磁力顯微鏡吧。」

磁力顯微鏡（magnetic force microscope, MFM）能夠偵測微小面積上的微弱磁力，是原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）的變形，說到原子力顯微鏡，就不能不提到它的前身——掃描式穿隧電子顯微鏡（scanning tunneling microscope, STM），這項讓人「大開眼界」看到原子表面的發明，不僅開創了奈米科技紀元，也讓 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 兩位IBM科學家獲頒1986年的諾貝爾物理學獎。常理來說，如此高科技的STM應該誕生於頂級的精密實驗室，沒想到STM的搖籃，竟是Rohrer博士褲頭上的吊帶。

奈米科技的迷人之處在於微觀世界中的有別於宏觀世界的量子和表面性質。物質進入奈米尺度後，表面積佔體積的比例大大提升，一顆直徑20奈米的小金球只有6%的金原子分佈在表面，而直徑1奈米的小金球中99%的原子都暴露在表面，由於所有物質間的反應都發生接觸面，所以物質表面性質的研究是很重要的，而奈米物質的高表面積特性正提供了科學家研究原子的凡得瓦力、氫鍵、電荷等表面效應的大好機會，因此科學家極度渴望能夠觀測原子表面的超高倍率顯微鏡。

在1980年代，光學顯微鏡可以將數百奈米的視野放大到肉眼可見的大小，電子顯微鏡能觀測到數十奈米的微小物體，但都沒有實際方法能夠測出原子的樣貌，直到Binnig 和Rohrer發明了掃描式穿隧電子顯微鏡（STM），科學家才能探索這個小小世界的奇妙之處。STM的原理——量子穿隧效應——在1890年代就被法國物理學家貝克勒（Henri Becquerel）所提出，他也因此與居禮夫婦共同獲得1903年的諾貝爾物理學獎。根據量子穿隧效應，當一根極尖的金屬探針與樣品（需為金屬）距離僅僅數埃（Å，10^-10公尺）時，樣品表面的電子會被探針尖端吸引，並且有機會衝進探針，形成大約100皮安培（皮，10^-12）的穿隧電流，電流的大小在這個特定範圍內會隨著距離的負指數次方而改變。所以，理論上只要讓一隻細針在金屬樣品上穩定的水平移動，就能藉由穿隧電流的變化得知表面的高低起伏。

但是，but，人生中最重要的就是這個but。理論是美好的，而現實是殘酷的，90年來都沒有人將穿隧電流做成顯微鏡一定是有原因的。科學家從理論走進現實後所面臨最大的魔王，是環境中難以抗拒的低頻振動。由於穿隧效應的性質，儀器只能在相當於5~10個原子的距離範圍內測到電流訊號，而自然界中無所不在的振動會輕易地將探針振動到有效距離之外，若無法避免振動擾亂訊號，穿隧電流顯微鏡的想法就無法實現。

「消除振動？可以用光學桌呀。」你心裡可能這麼想。頂級的光學桌有堅硬沈重的花崗石桌面和有彈簧性質的氣浮桌腳，可以過濾掉高於氣浮桌腳共振頻率的波，例如由人們走路、搬東西、關門等動作對地面造成的振動；但是除了這些人造的振動，建築物本身也會產生低頻振動，這卻不在光學桌的振動過濾範圍內。

每一棟建築都有不一樣的自然振動頻率，樓層高的頻率低，樓層低的頻率高，依照建築、結構又有所不同，但大抵都在0.1到幾個赫茲（Hertz, Hz）左右的範圍。人類耳朵可以聽到頻率在20~20000赫茲的聲波，大象、藍鯨等可以用低於20赫茲的次聲波溝通；波的頻率越低可以傳得越遠，大象0.5赫茲的叫聲能夠傳到20公里遠，同樣的，建築物結構的低頻振動也能遠播不易消失。建築的振動受到自然環境影響，高聳的建築受到風吹的力較大，許多高樓都有避震系統減輕風吹導致的搖晃，像是台北101大樓在92層樓下方懸吊的超大型金光閃閃阻尼球，就是全球最大的阻尼器，不僅可以吸引觀光客前往參觀，也可以吸收40%由風吹造成的晃動，避免觀景台上的情侶因暈船而搞砸浪漫約會。

為了排除這些光學桌無法吸收的樓房振動，STM的發明家如果遵循傳統的設計理念，思考出來的解決之道或許是找個地下室、礦坑之類的平穩場域來進行實驗。可是身處瑞士的Rohrer與Binnig，要上哪兒找礦坑做實驗呢？同時，當時STM的計畫純粹是他們倆的業餘興趣，沒有研究經費補助支持，他們也無法蓋一間豪華地底實驗室，這下他們該如何是好？

正當兩人思索這個問題時，空氣間隱隱傳出一道謎之聲：「If you cannot fight it, join it！」穿著吊帶褲的Rohrer博士低頭細細咀嚼這句話的玄外之意，眼神正好落在身上那條曾伴隨自己度過無數研究夜晚的吊帶，他頓時豁然開朗：「無所不在的地面振動源根本無法完全隔離；既然連光學桌都不能讓它固定不動，不如就讓整台儀器一起動唄！我身上這吊帶可看作是彈簧⋯⋯其實不就和光學桌的氣浮桌腳有異曲同工之妙嗎？」

Rohrer與Binnig立馬重新設計STM，將探針放置在一個緊密堅實的剛體（rigid body）結構內，再用吊帶將包含探針在內的STM剛體結構懸在天花板下方，就像像用Ｑ彈的橡皮筋吊著一顆堅硬的石頭，吊帶跟光學桌一樣可以過濾掉從環境傳入STM剛體結構的高頻振動，雖然吊帶會讓整台STM在空中晃動，但只要適當地設計新版本剛體結構STM中探針的共振頻率，就可以避免傳入的振動源影響針頭與樣品間的距離！

自穿隧電流被發現以來的90年，為解決振動問題，科學家不斷尋找更穩定的環境卻都枉然，Rohrer與Binnig用靈活的思路、基礎的知識，以概念翻轉的懸吊式光學桌，拉大儀器與環境的振動頻率差，成功催生世界上第一台STM，進而推動奈米研究的大躍進。「他們確實活用了基礎知識，所以我們開玩笑說這是第一次以力學成果得到的諾貝爾獎。」李老師說。

高靈敏度與大測量範圍如何兼得？

打敗了振動大魔王，科學家還得想辦法打破「精準度與測量範圍如魚與熊掌不可兼得」的鐵律。這種「有一好，沒兩好」的原則適用於所有人造測量儀器，例如智慧型手機裡的加速規，能夠測量人們行走時的加速度變化，但測量範圍一般只在1~2倍的重力加速度（我們稱之為1~2G）；而飛機上的加速規可以測量如美軍A10地面攻擊機轉彎時產生高達十幾G這種足以令人昏厥的強大加速度，此種等級的儀器雖然測量範圍廣，卻無法取得很高的加速度解析度。

以穿隧電流為原理的STM非常靈敏，可以測出幾顆原子等級的距離變化，卻只能測量樣品表面5~10埃的高低起伏。由於穿隧電流的強度與距離的指數次方呈負相關，只要探針與樣品之間的距離稍微縮短一個原子長度，穿隧電流就會瘋狂增加。但是穿隧電流只在兩物體相距5~10埃時發生，只要樣品表面稍微粗糙一點，就會導致水平移動的掃描探針撞牆或遠離樣品而失去訊號，因此測量範圍非常侷限。

「這種問題的解決方法都是一樣的。」李老師說。在STM的案例中，若固定探針的高度，而直接以穿隧電流的強度高低推算樣品與探針間的距離來描繪樣品表面地圖，測量範圍當然會受限於5~10埃的表面起伏；若探針能隨著樣品表面高度移動並維持固定距離，即使樣品表面有10埃以上的起伏也不怕了，但是探針與樣品間的距離如此微小，光是測量就不容易了，要怎麼維持他們的距離呢？

聰明的科學家巧妙地將STM的靈敏特性轉換成擴大測量範圍的工具：敏感的穿隧電流可以讓固定探針與樣品間距離的回授機制更加精準。由於穿隧電流對距離的反應非常靈敏，當穿隧電流增加時，就代表樣品正在逐漸靠近探針，這時儀器會立即通電到探針懸臂上的壓電材料，壓電材料通電後會改變長度，懸壁稍微縮短後就可以保持探針與樣品間的距離，最後讓儀器本身記錄驅動壓電材料的電壓，再換算出探針移動的距離，即可繪出樣品表面的樣子，如此一來，STM可測量的距離範圍就能遠遠大於穿隧電流所限制的5~10埃啦。「利用敏感的電流變化控制探針高度，就像是擁有一雙靈敏的雙眼，眼睛看得清楚後，雙手就能控制得精準。」李老師補充說明。

科學家藉由偵測穿隧電流強度來控制探針高度的方法，與外科醫師執行顯微手術大同小異。人們的頭髮直徑大概是80~125微米，拔下一根頭髮放在眼前細細端詳，光是將眼睛焦距調整在髮絲上就會讓人變鬥雞眼，而面對僅僅數微米粗的神經纖維，外科醫師竟能直接用雙手進行縫合！其實醫師執行顯微手術的法寶是那架在眼前的顯微鏡，當視覺的解析度增加，手眼協調的準確度就會放大。「從加速規等感應子的設計到微創手術用的顯微鏡，都是以靈敏的感應子（Sensor）來提高反應的精準度，這些道理是一通百通的！」李老師說。

Just do it！ 不試怎麼知道行不行得通？

1981年，IBM蘇黎世研究院的Rohrer博士以及他所提攜的Binnig博士共同發明了掃描式穿隧電子顯微鏡STM，成功測量出金屬表面奈米等級樣貌，因而在1986年獲得諾貝爾物理學獎，這年，Binnig博士進駐了IBM位於美國加州的阿爾馬登研究中心（Almaden Research Center），並且與史丹佛大學的Calvin Quate教授、IBM蘇黎世研究實驗室科學家Christoph Gerber三人共同發明了第一台原子力顯微鏡（AFM），這是一項衍伸自STM的發明，適用的樣品種類也擴增到STM無法測量的非金屬物質。

穿隧電流是STM測得出金屬表面奈米構造的原理，「有什麼性質是非導體也適用的呢？」Binnig博士心想，「對了，那萬物間無所不在的凡得瓦力！」原子間存在著凡得瓦力、氫鍵、共價鍵等微小的作用力，當物體越小，這些原子間作用力的影響會相對放大，當兩個物體逐漸靠近，凡得瓦力會讓彼此互相吸引，但當兩者相距最小距離時，凡得瓦力又讓彼此互相排斥。因此探針與樣品在特定距離時會產生快速的上下振動，只要測量探針的移動，就能得出樣品的表面特性。

為了讓探針受到微小的原子間作用力後可以自由振動，探針的懸臂必須相當柔軟，第一代的探針懸臂（cantilever beam）使用了鋁箔紙作為材料，鋁箔紙不僅夠軟，而且還是金屬！為什麼要特別強調鋁箔是金屬？只有當懸臂是金屬，第一代AFM探針的振動才可以用STM來測量。

這時AFM的研究速度已如海浪般難以抵擋，利用STM測量鋁箔紙探針懸臂起伏的第一代AFM很快就被後浪推倒在沙灘上，因為用這種方法測量懸臂振動還是太複雜了，取而代之的是光學槓桿法。只要打一束雷射光在探針懸臂上，讓雷射光的反射角度隨著懸臂的移動而改變，再用四象限光學感測器測量雷射光反射的偏移，就可以換算出懸臂的高度變化。當初光學槓桿的想法曾受到很大的質疑，因為理論上干擾因素太多了，然而實際上在AFM的微小空間中卻是可行的，現在的AFM也都採用光學槓桿測量。「我們常常設想太多而做太少，還以為什麼都不可行，而真正嘗試後才發現其實行得通。『just do it!』在很多時候都是成功的機會。」李老師說。

「當技術的基礎平台被開發後，衍伸的應用會發展神速。」李老師接著說。自AFM在1989年上市後，各式各樣由AFM衍伸出的儀器如雨後春筍般蹦出，沿用AFM的架構，只要改變探針材料就能用來測量不同的物質和作用力——金屬探針藉由穿隧電流測量金屬表面；利用凡得瓦力的吸力或斥力的原子力顯微鏡（AFM）可以測量一般的元件；帶靜電的探針可以測量原子等級的帶電量，這個方法也就構成了靜電力顯微鏡（electrostatic force microscope, EFM)；將AFM的探針改成鈷製探針可以建構出磁力顯微鏡（magnetic force microscope, MFM）來測量磁場分布……。

在那個磁碟機產業與技術均蓬勃發展的年代，當IBM的John Mamin博士首次於國際會議上發表新發明的磁力顯微鏡（MFM），台下聽眾無不低頭猛抄筆記，會後紛紛出去打電話，以當時最快速的方式傳遞這重大消息。不到一週的光景，全世界的公司都知道如何生產MFM，同時也有許多公司推出MFM儀器來販售，由於當時磁碟機是個八百億美金的市場，龐大的產業需求直接加速了MFM的普及。

科技，始終起於人性

Rohrer博士在諾貝爾獎感言中提到了在IBM的日子：「在IBM蘇黎世研究實驗室的那些年裡，我特別感謝那自由的研究氛圍，讓我能盡情投入在讓我著迷不已的領域。」自由的研究環境和同儕間的砥礪讓 Binnig 與 Rohrer 兩人有靈活的思維和既深又廣的基礎知識，能跳脫框架，做出上個世紀數一數二的重要發明。

STM和其衍伸出的AFM、MFM、EFM等各式奈米級顯微鏡，誕生於發明者的求知慾，不僅讓探索微觀世界和研究尖端科技的科學家道具升級，也餵飽他們好奇的腦袋；有別於這些讓人熱血沸騰的發明，日本的科學家用科技所滿足的，是人性中渴望陪伴的需求。柴田崇德博士（Takanori Shibata）在2003年開發了超萌療癒系機器小海豹「Paro」，它有毛絨絨的可愛外表，可以與人進行簡單的互動，雖然它不會每日向人道聲「喔嗨呦～」，也不會幫忙做家事，Paro卻有神奇的魔力，讓養老院的爺爺奶奶心頭暖暖並重展笑顏。究竟，機器人撫癒人心的公式是如何推導？與它們建立的情感又能否計算？我們下回見。:）

【極光片語】專欄收錄李世光老師的訪談，每一段小故事、小物件的背後，都有饒富趣味的科學道理。吉光片羽比喻殘存的珍貴文物，象徵李世光老師在科學研發的高昂志氣和人生智慧；傳說見到極光會帶給人一輩子的好運，期待讀者在本專欄得到的啟發，都能像看見極光般感動。