託夢而來的奈米光觸媒　清大化工新研究

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜張琬婷
• 責任編輯｜簡克志
• 美術編輯｜蔡宛潔

水能被擠壓成冰？

水在攝氏零度以下會結冰。然而，當水被擠壓到極限時，會形成二維的奈米薄冰，不僅室溫下穩定存在，還有從未見過的鐵電特性（Ferroelectricity），而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員，她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰，以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件，研究成果發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

奈米尺度下，物質特性會跟著改變？

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料，這是奈米科技的領域。奈米是什麼？奈米（nanometer）是長度單位，即 10^-9 公尺，一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下，很多物質的特性會隨之改變，最常見的例子是「蓮花效應」，因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構，為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性，髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

奈米材料（nanomaterial）是指三維尺寸的材料，至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維，就是平面的二維材料（2D），例如石墨烯；縮小兩個維度，就是奈米線（1D）；三維都縮小，就是零維的奈米顆粒（0D）。

奈米科技（nanotechnology）的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼（Richard Feynman）在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢？」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人，他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發，但受限於製造技術不成熟，而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年，在掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）發明之後，不僅有助於材料的微觀分析，操縱單個原子和分子也成為可能，奈米科技也逐漸實現。

無處不在的奈米科技？

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是，從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例：防曬霜之所以是白色，是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒；許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物，來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性，例如汽車鍍膜或奈米光觸媒；羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂，讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業，奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀，以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級，製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」，謝雅萍說道。

實驗中的難題，反而促成驚奇發現？

鐵電性是什麼？二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式？

對謝雅萍來說，發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關，畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目，理論上當兩層石墨烯很靠近時，分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態，沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

然而，實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時，石墨烯開關仍會導通，甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久，嘗試思考了各種可能性，但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目，沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題，因此這個研究比預期多花了一兩年」，謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來，某次謝雅萍在與朋友討論研究時，突然想到一個可能的方向：「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料，但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕，開關關不緊會不會就是水的影響？」

設計實驗跑下去之後，謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來，兩層石墨烯結構中，真的有水分子的存在！「一般水分子用手去捏，還是會維持液體的狀態。但是我們發現，當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時，水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰！」，謝雅萍開心地說道。

換句話說，當極限擠壓之下，水會結成冰，而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料，而且可以在室溫下穩定存在！

鐵電材料乍聽之下很抽象，謝雅萍表示：「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料，大多數人對鐵電材料比較不熟悉，其實概念十分相似」。她說，鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後，即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地，鐵電材料經過外加電場的「極化」之後，即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性，這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列，形成一個永久的電偶極，並且在電場消失後保持不變。

接著，謝雅萍發現，二維冰的鐵電性只存在於單層原子，增加多層原子之後，鐵電性會消失，變成普通的冰，這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰，是非常特殊的固態水，不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定，二維冰可以在室溫下穩定存在，不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現，要升溫到攝氏 80 度，被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度，這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

於是，謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件，他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性，在施加不同外加電壓之後，元件可以維持上次操作的電阻值，並保留至下次操作，有這種特性的元件稱為「憶阻器」（memristor）。

憶阻器這個詞是由記憶體（memory）與電阻（resistor）組合而成，字面上的解釋便是：具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示：「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值，再以微小電壓讀取之前的電阻值，允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料，具備未來記憶體的發展潛能。

此外，二維冰奈米開關也是很好的開關裝置，團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬，開路和斷路的功能極佳，並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減，相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊，並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進，目前實驗室有和台積電（TSMC）合作，希望透過產學合作，將更多奈米技術的應用落地實現。

與二維材料實驗的相遇？

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員，同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人，她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果，創意與想法的激盪和交流，是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期，謝雅萍都在臺大物理所，鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶：「當時我們都要向化學系要材料，他們給什麼我們就得用什麼，但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到，擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫，讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構，進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好，也可以幫助學生建立重要人脈！」在指導教授引薦下，謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院（MIT）的二維材料實驗室，自此與二維材料結下不解之緣，她認為：「好材料與好元件是相輔相成的，前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後，深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作，然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行，學生之間會互相分享自己的研究內容，互相幫忙思考、激盪出新想法」，謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

當年二維材料還在萌芽階段，她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者，她也因此立下了目標：「希望未來我有能力時，能夠自己掌控自己的材料做出好元件！」如今，謝雅萍正走在自己目標的道路上，過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人，直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料，身處這些男性為主的學術環境，謝雅萍顯得自在，而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性，讓自己融入整個以男性居多的環境中，才不會在團體中有突兀的感覺」，她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab，是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室，他們除了是工作上的夥伴，更是人生中的最佳拍檔！當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識，再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是：這種共同主持的模式與一般實驗室相比，是否有特別之處？

「從多個面向而論，我認為都是 1+1>2 的」，謝雅萍說道，「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目，兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻，我們在研究上看的面向也都不一樣，因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充，不僅對實驗室本身而言，對學生也有很大的好處，「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人，代表學生的研究成果會非常扎實，也可以為學生帶來信心。」重要的是，「學生也會得到兩倍的照顧與關愛，我覺得我們的學生是蠻幸福的」，謝雅萍笑笑地說。

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜簡克志
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

降低碳排還不夠，奈米材料幫你直接減少二氧化碳！

氣候變遷問題日益嚴重，2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份，臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃，世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標，設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員，他的研究專長是奈米能源材料，我們將介紹一種複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），在太陽光照射下，此材料表面發生的氧化還原反應，會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料！

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳？根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據，2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸，而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下，每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤，相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油！

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」，人類活動排放的溫室氣體，已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去，碳排放量可預期將不斷上升，大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示，地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 ^{註 1}，否則將有不可逆的後果，例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此，世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標，並不是說都不排碳了，而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消，達到「淨零」的目標。

要達到淨零的目標，除了尋找與開發減碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下，如果可以像植物一樣，只要照太陽光，就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物，聽起來不錯吧？但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定，要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應？

我們可運用「陽光」與「光催化材料」（又稱光觸媒，photocatalyst），不僅可以減碳，還能產生有價值的碳氫化合物，是一種「一舉兩得」的方法！

光觸媒（光催化）材料是什麼？

在談到光催化材料之前，先複習一下「催化劑」這個概念，催化劑不參與化學反應，但是它讓原先不可能的化學反應變得可行！陳貴賢分享，這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山，經過九彎十八拐的北宜公路；但如今有了「雪山隧道」之後，就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外，催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色！在過去，農作物施肥只有天然氮肥可以使用，產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加，《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面，波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔，用來收集當肥料用的鳥糞。

到了近代，陳貴賢提到在 20 世紀初，德國科學家哈伯（Fritz Haber）透過催化劑，在高溫高壓的條件下，以鐵粉做為催化劑，讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能，人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥，農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」，顧名思義就是協助光化學反應的催化劑，但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於，其化學反應通常發生在固態的表面環境，目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料，你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」，例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能，其實就是照射足夠的光，讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸，這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構，且大幅增加反應的表面積，讓光催化反應更有效率。

陳貴賢：「一個高表面積的奈米粉末，它的表面積可能是薄膜的一萬倍，甚至於十萬倍。」

給你電子，還你原形！光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的？

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳，是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」，氧化反應會失去電子，還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），可以讓二氧化碳還原成甲醇（CH₃OH）和乙醛（CH₃CHO），這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下：

要持續減少二氧化碳，就要持續發生上述還原反應，持續供給電子。不過，我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面？這裡就開始涉及到半導體的核心問題：電子與電洞的產生、分離和傳輸。

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：ZnS／ZIS，是結合兩種奈米半導體材料，透過水熱法合成，將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上，形成 0D-2D 結構的 ZnS／ZIS 複合物，就像製作巧克力豆餅乾，不過要複雜得多。

既然 ZnS／ZIS 是半導體，當受到光照之後，原來的價帶（valence band）電子會被光激發成導帶（conduction band）電子，原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位，就是電洞。電子和電洞的遷移，就是半導體形成電流的原因，因此電子和電洞都稱為「載子」（charge carrier）。

還記得上面的還原反應嗎？

對光催化材料來說，為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇，必須獲得穩定的電子來源，材料內部要迅速補充電子到表面，因此：

照光產生的電荷載子數量越多越好；產生的電子和電洞要傾向分離，分得越遠越好；電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定，首先照光產生的載子要多，就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合，照光產生的電子和電洞很容易復合，一旦復合，等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好，可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS／ZIS 光催化材料，依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99，分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中，ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好，可以有效減少二氧化碳，產生最多的乙醛和甲醇（如下圖）。

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率，陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值（apparent quantum efficiency），用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量，產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後，ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%，量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍！

這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合，因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率，選擇兩種不同的半導體材料組合，讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞，並且把電子送到它該去的材料表面。

此外，使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」，以符合光催化反應的能量門檻，自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後，繼續往 ZIS 跑，光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面，還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快！控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發，陳貴賢提到：「材料低能階，然後光子進來後，把電子激發到高能階去做反應，太陽能電池也是這樣。但是呢，有時候沒那麼剛好，例如激發後的能階不夠高，雖然激發上去了，但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起，電子上去以後又下來，然後再吸收第二個光子上去，那就變得很高了，高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖，如下圖所示，電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發，變成自由電子，接著經過設計完善的材料介面，先降到較低的 ZIS 束縛區，受到第二次光子的激發，再次變成自由電子，跑到光催化材料的表面，和二氧化碳發生還原反應，將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

看看電子走過的路，如果向左歪著頭看，是不是就是一個 Z 字呢？科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」（Direct Z-scheme）。「直接」的意思是，電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程，不需要再經過一個中間地帶，降低電子和電洞復合的機會。

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料，電子可以不需要中間的「轉接站」，直接轉移到另一個材料上呢？這裡也有一個巧思：不同材料之間的「微應變」。

不同材料的晶體排列規律是不一樣的，當兩種材料接在一起時，接面處會發生「晶格不匹配」，也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是，如果我們可以控制微應變（Strain）的程度，就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置，微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能，進而形成一個內部電場，讓電子和電洞更能快速分離，提高光催化效率。

總之，陳貴賢團隊開發的這套材料組合，是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料，可做為未來量產光催化材料的研發設計參考，同時也是減碳的解方之一。

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示，目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域，他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸，有太陽能電池和熱電材料，同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料，以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展，因為在 2050 淨零排放之前，有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列，企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果、Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中，台積電為蘋果主要供應商，2020 年也加入 RE100，目前為臺灣再生能源的主要買家。

可以預見，將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求，而能夠減少二氧化碳的光催化材料，也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到，當前光催化材料還在基礎研究階段，目前的人工光合作用效率約 1%，接近大自然效率，而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上，方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調，未來效率提高之後，能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值，不僅轉化後的燃料可以賣錢，處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用，是一種前所未有的概念。

註解

1. 根據 IPCC 的資料，如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內，必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標，同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放，特別是甲烷。

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃，泛科學企劃執行。

• 2017 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十屆傑出獎得主

在辛亥路側的臺灣大學凝態科學研究中心，曾為中心主任的林麗瓊帶著我們上上下下好幾層樓，如數家珍地說明各設備的能耐，以及學生要如何經過她紮實訓練跟親自審查才能上機。「還有好多，今天沒時間看」，站在她稱為「起家本」的第一台自製反應爐旁，她說當年太貪心，加了多個 Port，增加了殘餘氣體吸附而使樣品被污染的風險。然而這台由她自己設計、自己到工廠請人開模製作的機器，在她細心調教跟利用下，創造了許多研究突破。我們請林麗瓊與這座別具意義的反應爐一起合照，她則邀請在旁的學生 Suman 一起入鏡。

來自伊朗的 Suman 她選擇來台灣學習，一方面是因為台灣是個很安全的地方，另一方面就是因為林教授是很棒的楷模。「那你會在台灣待到什麼時候？」我問，她回說「這要看我什麼時候拿到博士學位。」「那就是要看林教授囉？」「不是，是要看她自己何時取得足夠的進展。」林麗瓊笑著說這句話，也透露出她指導學生的方法：不由上而下決定主題，讓學生自由探索、從好奇心出發。

回到辦公室，林麗瓊從玻璃櫃中拿出一幅裱框的照片，裡頭是朵特別的玫瑰。「本來該長成平的、漂漂亮亮的磊晶，結果長成一朵花。」

拿著學生的「作品」，她笑說通常學生若做出這樣的磊晶應該要挨罵才對，然而學生發揮想像力，將奈米尺度的不規則形狀染上玫瑰紅，參加美國材料學會（Materials Research Society）年度的科學即藝術（Science as Art）競賽，拿到首獎，還有外國人寄信來，希望能取得圖片，用來求婚。

在林麗瓊經營帶領下，聚集多國、多領域人才的研究團隊看似和樂輕鬆，其實他們正探索一個可能改變人類未來的終極領域：光觸媒。

光觸媒的莫大潛力

如果要列出如今人類面對的最大挑戰，抑制二氧化碳排放、讓空氣中的二氧化碳量回到 350 ppm 的安全水平以下，不讓氣候危機加劇，肯定是其一。（順帶一提：2021 年 的 1 月是 413 ppm 上下。來源） 

就算逐步淘汰煤炭跟天然氣，改成再生能源發電，我們的生活依舊仰賴大量的石油化學產品，大氣跟海洋中依然有過量的 CO₂，種樹也難趕上森林被砍伐跟遭野火肆虐的速度。然而林麗瓊另闢蹊徑，從拿手的材料科學著手，正研究如何將二氧化碳還原成低碳氫比燃料，關鍵就在於高效能的光觸媒。

這當然不是林麗瓊一開始就研究的主題。她於 1989 年取得哈佛大學應用物理博士學位後，馬上被美國奇異公司研發總部材料研究中心延攬為終生聘雇研究員，也是當時該研究中心唯一的亞裔女性。那時她加入的團隊裡有物理學家、化學家、電子電機工程師等，研究的主題從飛機引擎到核能電廠五花八門，例如他們開發新型飛機引擎的材料跟設計，讓飛行速度更快、更省燃料。

1994 年回台後，她返台主持凝態中心的尖端材料實驗室。「一開始做鑽石薄膜，後來做奈米碳管、奈米線、石墨烯。」開發這些碳基的低維度奈米材料，並使其展現出新奇特性是她的拿手絕活。既然現在二氧化碳成了眾矢之的，那就換個角度，把它從廢物變寶物吧！

「如果只是要把二氧化碳轉化成低碳氫比的燃料，或是高工業價值的原物料，方式不只有光觸媒，用電催化也可以。」林麗瓊表示電催化成熟度比光催化高，發展歷史久，但是腐蝕容易造成污染，而且 CO₂ 與水的溶解度低、需要額外耗電，因此不見得是最佳選項。若採用光觸媒，只要將工廠的排氣經過導管收集，將 CO₂ 分離，進入可以接受光照的反應爐，搭配適當的材料（如金屬氧化物），就能產生光催化效應，把 CO₂ 變成甲醇、甲烷、乙醇、乙烷、乙醛等。

「關鍵步驟就是那個材料的觸媒，它的催化功能性要夠，那怎樣功能性才會夠？這就有我們做材料的人可以玩的空間。」林麗瓊表示這樣的材料須具備半導體特性，也就是其特有的「能待結構」或「能階」，能接受光子的能量而激發，同時「能隙」不能太大也不能太小。目前已經商用的材料為二氧化鈦（TiO₂），然而其吸收光需要 3.2-3.4 電子伏特（eV）的能量，也就是得用波長很短的紫外光，限制了發展。 因此她將重點放在找尋能夠吸收可見光的材料與最佳結構，提升轉化效率。「可能是1.7、1.8（eV）是最好的……就同樣一個材料，它本質可能是 1.5 eV，但位置不對，所以我們就想辦法做一些缺陷工程啊、做一些參雜、複合的結構。」

這樣的材料在吸光後會產生電子電洞對，林麗瓊生動地形容「要活活的」，才能跟二氧化碳與水起反應。意思是說這材料得身兼多職，先吸可見光、然後拆解電子電洞對，傳達到表面後，能接著活化其實很穩定的二氧化碳，再加上水氣才有可能轉化成甲醇等產物。即使是同一個氧化亞銅，他們也發現邊邊角角的活性才高，「所以就有辦法跟 CO₂ 招手，黏住又不能太黏喔！太黏 CO₂ 不跑啦！就把活性點通通給蓋住蓋死了。」

為了讓二氧化碳若即若離、欲迎還拒的戲碼能在奈米尺度上演，身為導演兼製作人的林麗瓊與團隊花了大把工夫選角（材料），如今已獲得初步的成果。

「在產量上，雖然還不是很高，但是有機會到 1% 了。假以時日，push 到 10%，應該是有機會」。她表示儘管還需要很多努力，而且後續也還有產物選擇性與分離的課題，但一關一關解，就能將二氧化碳變成原物料，邁向循環經濟「零廢物」的目標。

林麗瓊表示反應過程中的產物分析、以及反應控制的關鍵機制需要徹底釐清，才能知道到底材料的「什麼」在做出貢獻，例如是形狀、是位置、是大小、還是其他性質？她用各種技術來監測，將這過程比喻為「盲人摸象」，得一片一片摸熟了才能前進。雖然離製程成熟跟產業化還有很長的路，她發現這個領域受關注跟投入的程度在全球都大大提升，從她剛開始時一年不超過 50 篇研究，到現在每年破千篇。

從半導體、光電、能源材料、奈米薄膜到光觸媒，研究範圍廣泛的林麗瓊笑稱自己喜新厭舊又隨性，但萬變不離其宗：「我們就是玩材料的，我們玩得很開心啊！」

Welcome to the jungle 

外表溫和沈著、說話總是體貼地再三確認我們能否理解的林麗瓊，得過台灣與世界各國的獎項，也曾被選為美國材料學會董事會成員，曾任眾多知名學術期刊、專書的編輯與學術會議的主席，成就非凡。然而正如她研究的光觸媒，對於許多學生來說，她也是一位如光般賦予能量、催化著他們的觸媒。

林麗瓊坦言自己「鍛鍊很久」，努力學習理解各種關係必然遇到障礙，有時轉個彎就撥雲見日的道理。她不會給剛進門下的學生太明確、太細節的題目，而是讓他們先朝一個方向探索看看，約略三個月後再請他們提出 Proposal，她就在這段時間內觀察新學生與其他同學的互動，了解其性格，能力，再依此給出建議。

她將自己在美國奇異公司研發總部任職時學到的團隊合作方式，帶入自己的實驗室。「有的人性格像獅子、有的像兔子。但不能都一直是獅子或兔子」她順著學生的性格，鼓勵其發揮，但也鼓勵他們學習彼此的優點，懂得變換。

她說有些學生活動力很強，坐不住，沒辦法一直待在機器前；反過來有些學生開工之後，一天不去開機就覺得不舒服，連機器壞了也不肯停。但就是這樣不同的性格，獲得了意想不到的發現。雖然有時會建議學生互相合作，但她的安排也不一定成功，反而是讓資深的、主導性強的學生們發展、組隊，結果更好。她則透過每週定期的 Group meeting 發揮觸媒的作用，激發團隊成長。「我關心他們怎麼發展，可是絕對不強迫。有點黏又不會太黏。」她微笑說。

是傑出科技人，也是女人

2017 年得到第十屆「臺灣傑出女科學家獎」時的林麗瓊，已得過科技部傑出獎、教育部學術獎與國際上的諸多不分性別的榮譽，對於冠在科學家獎前的「女」字，很高興能獲得肯定，也自覺要承擔更多責任。然而在 30 年前，類似的經歷曾經困擾過她。

當她被奇異聘為終生職研究員時，她在哈佛的一位韓國同學則失之交臂，扼腕地對她說「都是因為妳是女生啦。」林麗瓊覺得自己夠認真、夠努力，當然有資格加入頂尖的企業。但反過來說，那位韓國同學也很認真、很努力，所以……是臨場表現有差別？還是真的因為她是女性而成了保障名額？

「不瞞你說，這的確是很矛盾、很複雜的一種心理。」她說：「如果只是因為我是女生，這個對我很傷啊！是不是？」後來在物理學會女性工作小組內討論這種「肯定」時，她漸漸想通，認為即使有這種可能，她也要勇敢去爭取，放下不舒服的感覺，不要覺得自己是被憐憫、被施予，而是要當第一個衝破現況者，別人才有機會跟上。

「有一些東西是非常根深蒂固的，男生女生都是這個文化的受害者。」她分享自己剛加入奇異公司的一段經歷：當時懷第二胎的她，發現好幾個月都沒有被分配到任務，也沒有被安排出差到工廠幫現場面臨的挑戰找題目。於是她鼓起勇氣去問經理，經理反而愣住，回答說就是因為知道她懷第二胎，家裡還有一個兩歲孩子，怎麼能讓她做這些又累又辛苦的事？

這樣的善意跟體貼，若說是歧視，林麗瓊認為就太重了，但結果卻幽微地害她投閒置散。於是她向經理明確表示自己先生非常支持，而且有保母能照顧小孩，承接任務沒有問題，才改變了這種不利自己發展的狀況。

「我自己覺得物理並沒有性別的問題，覺得好玩又可以發揮，學科本身不會阻擋女生。那是我們的環境嗎？還是什麼？」物理學界的女性比例「是可怕的低」，林麗瓊說大學部其實有 20-30％ 是女生，研究所也可能還能維持 10-20%，但到教職就不到 5%。她認為這個現象不能簡單歸因，需要抽絲剝繭。舉例來說，由於她與先生（陳貴賢，中研院原子與分子科學研究所研究員）密切合作，剛回國任教提交計畫書審查時，曾被問「貢獻到底在哪裡？」但同樣的問題，她先生卻不會被問。她認為審查者不見得有意打壓，而是文化養成的習慣。要讓其他人知道自己有真功夫，需要一段不短的時間，她已十年沒被這樣問了，但的確成了女生額外要處理的。

得獎後，她參與台灣萊雅與吳健雄學術基金會合辦的高中女性科學教育巡訪計畫，每年都與許多年輕學生面對面交流，座談時間常互動熱烈到讓她趕不上搭車時間。透過這個獎跟活動，能讓許多學生有個學習楷模，提出心中的問題，幫她們去除刻板印象，其實讓她備感欣慰。她甚至因此收了高中生來實驗室實習，但她強調來的高中生得要「玩」、藉實習想像未來的生活，而不是為參加科展得名而來。

對林麗瓊來說，大她四屆，同樣就讀臺大物理系的四姐是最接近的楷模，也因此她學習科學一路以來備受鼓勵而沒受阻礙。另外，曾返台演講的吳健雄則是她朝聖的偶像，曾親睹吳健雄在新竹演講風采的她說自己非常震撼。後來與自己的大哥討論該不該朝物理學邁進時，大哥對她說「吳健雄不就是物理學家嗎？為什麼不呢？」她也因此非常感激。

她給予學生的力量，也承襲自她在哈佛的指導教授 Frans Spaepen。她記得在考慮該留在哈佛做博後，還是去產業界資源豐沛的實驗室時，Spaepen 教授對林麗瓊說，若她能留下來當博後，他會很高興，但不必將哈佛當作第一或是唯一的選擇，該把握機會到外頭更大的世界看看。這番話讓她至今銘記於心，也一直將這種「不為自己設限」的理念傳達給每一位學生。

「你覺得你的興趣在哪、你的才能在哪，就走走看，不要劃地自限。刻板印象是別人的刻板印象，若連自己都有刻板印象，當然就沒救。」身為物理學界的頂尖女性科學家，林麗瓊參與、籌辦了不少推動女性加入科研領域的工作，例如與物理學會女性工作委員會籌拍《物理好丰采》影片，協助成立臺灣女科技人學會等。她說，每個人有各自的問題，但有些問題有共通性，就該以團體的名義來爭取。

例如她參與的物理學會女性工作委員會曾以團體名義向國科會提案，讓有生產事實的女性研究者在提出研究計畫時，可以將過去七年內的發表成果納入，而不是原本的五年，否則女性研究者很容易因為生兒育女放慢進度而被系統性地歧視、或是擔心可能耽誤發展而乾脆不生育。

林麗瓊認為自己沒有天花板，但她不能代表所有女性研究者，因此「如果有需要去衝破的，一起去衝破吧。」她說。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年，台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想，讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎？妳絕對可以！傑出學姊們在這裡跟妳說：YES!：https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃，泛科學企劃執行。