[募科學] 〈SciMu科學募資〉九月閱兵報告

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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這一系列文章為 2016 泛知識節「翻牆吧！知識」的活動紀實，我們將當下求知求真地感動盡力留下，想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館，當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧！知識」承襲著泛科學年會的精神與架構，變的是讓更多的知識在這裏碰撞，不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆，現在就讓我們用求知慾翻牆吧！

關於本場次【 擁有全世界最亮的「台灣之光—台灣光子源」，是什麼？要幹嘛？ 】的活動介紹，請參考這裡。

• 講者／陳家祥｜國家同步輻射研究中心助工程師
• 文字紀錄／廖英凱

「光」是人類觀察物體最常利用的方式，除了可見光外，還有許多肉眼不可見的光，統稱為「電磁波」或是「電磁輻射」。在近代科學的發展中，這些光也成為我們觀測自然的利器，例如波長最長的無線電常用來觀測星球尺度的宇宙世界；波長數十公分微波可以觀測大氣尺度的變化；紫外線可以看到分子尺度的結構；X 光則可以研究更小的蛋白質、脂質分子與晶體結構等。

當光線不足時，東西自然看不清楚，讀書還會傷眼睛。不過，如果照來了一道世界最亮的光時…… 難道就會看得更清楚嗎！？這道世界最亮的光，正是位於新竹「國家同步輻射研究中心」內的「台灣光子源（Taiwan Photon Source, TPS）」。它是世界上首屈一指的粒子加速器，在全世界同級機組中，提供了最亮的光源，自 2004 年開始構想、 2010 年開始動工，至 2014 年末發出第一道光。2016 泛．知識節邀請到同步輻射中心的助研究員陳家祥博士，與我們分享這道台灣之光的奧秘與身世。

電影裡的粒子加速器

台灣光子源，是一種透過加速帶電粒子來得到高同調性輻射的加速器。這樣的加速器早已經廣泛應用到生活中，也常常成為影視娛樂的素材。電影《魔鬼終結者 3》中，主角們在一個環型隧道裡躲避機器人的追殺時，啟動了裝置於加速器上的電磁鐵，而電磁鐵擁有的強大磁場，在關鍵時刻將機器人吸住動彈不得，讓主角們得以脫離險境。電影中的這個設定，正是因為粒子被加速到接近光速行進而有很高的能量，需要強大的磁場才能讓粒子轉彎，而加速器中的電磁鐵提供了這樣的強大磁場。在電影《鋼鐵人 2》裡，主角也蓋了一個環形的裝置，在裝置裡兩道強光的相擊下合成了一個新的元素。事實上，這也是粒子加速器可以用作合成人造元素的應用。

在台灣，其實也是有以同步輻射中心、環狀加速器作為背景題材的電影作品。2006 年的一部驚悚電影《詭絲》，劇中就描述了在同步輻射的環狀中心點，正好是磁場匯集之處而能引發靈異現象。不過陳家祥博士笑稱，其實磁場最強的是加速器上的電磁鐵，環狀中心其實是沒有什麼特別磁場的，但也因為這部電影的原因，民眾對於同步輻射中心的詢問度也突然變高了一陣子……

生活中的加速器

雖然影視劇本中偶有出現加速器的蹤跡，但將帶電粒子加速來使用這件事，早就是我們生活中常見的技術。例如早期陰極射線管（CRT）螢幕、電視機，就是利用高電壓的電場將電子加速，再通過聚焦線圈與偏向線圈這兩個電磁鐵，讓電子打到玻璃螢幕上指定的區域。而玻璃螢幕的內側塗佈了磷化物，當磷化物分子吸收足夠能量的電子後，就會釋放出螢光產生畫面。再例如機場中常用來掃描行李裡的 X 光機，也是利用加速後的電子，打到鎢、銀 、鉻等金屬製成的靶材上。當電子受到靶材阻擋而減速時，就會以 X 光的形式放出能量。這種 X 光來自於制止電子運動，因此又被稱做制動輻射（ bremsstrahlung）。

然而這些常見裝置所產生的 X 光，強度僅有同步輻射中心的十萬分之一至百萬分之一，僅能透視大型物體，並沒有辦法用來看到物體的細微結構，也因此我們需要亮度更強、光束更細、更不易發散，並如同雷射一樣具極佳同調性 （Coherence）的光來作為觀測的媒介。同步輻射加速器所產生的光源，正具有這些特性。

同步輻射光

同步輻射光源，是將帶電粒子（如電子）加速到接近光速，再利用電磁場偏轉其方向，便會產生一道沿原本運動切線方向發生的電磁輻射。輻射的波長取決於磁鐵的強度和帶電粒子的能量。不過一道光的強度不見得足夠，此時可利用一系列磁場交錯排列的插件磁鐵，讓帶電粒子在磁場中如蛇行般不斷交錯改變方向。這種每次改變方向所產生的同步輻射，如雷射般具有同調性高的特性，就可以再被導引到實驗站使用。

實驗站中的研究人員會再將同步輻射光照射到待測物上。根據待測物的材質、結構、表面特性等，同步輻射光會再經由反射、繞射、散射與穿透等機制而改變特性。同時，待測物也可能會因為吸收了高能量的同步輻射，而激發出電磁波、帶電粒子與中性原子等。研究人員就可藉由測量這些被同步輻射照射後的產物，來回推待測物的結構與成分。

科學神燈：台灣光子源

1980 年代，時任行政院長孫運璿著手推動新竹科學園區設置與半導體產業發展時，同期也開始規劃同步輻射研究中心。同步輻射研究中心於 1986 年開始動工，至 1993 年 10 月完成了亞洲第一座第三代同步輻射設施「台灣光源（Taiwan Light Source, TLS）」，成為我國在原分子領域、奈米技術、表面與薄膜科技、凝態物理、材料科學、分子生物學…… 等眾多領域的研究關鍵。近年使用人次與計畫數均逐年增加，每年可達一萬人以上的使用人次，然而因使用者眾，且相關技術推陳出新，導致了 TLS 光源不敷使用，亮度也不斷落後其他國家的新建設施。

2001 年起，國家同步輻射研究中心前身「行政院同步輻射研究中心」的指導委員會建議應開始研究新型同步輻射加速器的建造方案。2007 年，行政院同意「台灣光子源同步加速器興建計畫」並在 2009 年正式核定、2010 年開始動土興建、2014 年 12 月 31 日成功發出第一道同步輻射光。

不過，台灣光子源的興建歷程，也讓研究人員們忐忑不安了許久。由於台灣光子源的精準度要求相當高，一圈 518 公尺的軌道，僅能有 25 μm 的誤差。又因腹地不夠寬廣，新舊加速器緊鄰施工導致對工程的要求又更高，陳博士說當時還因此拆了餐廳來取得用地。施工過程中也不安寧，又發現在 14 公尺深處挖到了軟土層，高於法規要求的探測標準10公尺，因而多耗費半年施工，也因此遭監察院糾正。

到 2014 下半年時，距完工時限還有 3 個月，雖然主要設施都已完成，但研究團隊仍無法把電子有效加速。總主持人陳建德院士曾戲稱：如果計畫失敗，核心團隊只好七條白綾以謝國人…… 還好一名工程主管及時找到不斷失敗的原因，主要是真空腔被磁化而吸引電子，造成電子速度被拖慢。但當他們要將真空腔拆下來退火消磁的時候，又剛好遇到年末的尾牙時節，根本而找不到合作廠商。此時中科院的設備也適逢歲修，另外想送到中國的上海光源處理，又因為電子輻射照射的真空腔是管制品而無法出口。好險最終在一個傳產業者的協助之下，在完工時限截止當天，2014 年的最後一天，成功發出了台灣光子源的第一道光。

歷經十年規劃、四年建設，耗資將近 70 億元的台灣光子源，是我國規模最大的跨領域科學研究設施，更是全世界同等規模、同樣電子能量下目前能提供最亮光源的同步輻射加速器。它能帶動多項科學研究領域的發展，也能提供工業產品的研發優化。世界第一的條件更能成為開拓國際合作的優勢。相信這座落在新竹的科學神燈，帶來的不是天方夜譚的希望，而是越發清晰的微觀結構，更加接近的宇宙真相。

「我們搞科研的就是要跟其他人殺到頭破血流，沒有人會記得第二名的！」

編譯／彭琬馨

白天，Emily Temple-Wood是芝加哥羅耀拉大學（ Loyola University）生物系學生，看似平凡的她，目前已經申請到美國中西大學（Midwestern University）醫學院，預計 2016 下半年開始攻讀。晚上的她搖身一變，成為維基百科撰寫女科學家條目的主要作者——特別是每次她收到騷擾郵件時，她就藉由這種積極性懲罰（Positive punishment）來打擊網路霸凌。

Temple-Wood 在 2012 年創立維基百科女性科學家專頁，而這是一個艱難的任務。身為女科學家傳記的共同作者的她在首頁底下寫下這段話，「維基百科上女科學家條目數可悲地不足，是維基百科的系統偏差（systemic bias）」。2013年她接受 Wikimedia Foundation 的訪問時說：「有一票皇家學會（ Royal Society ）的女科學家，在科學界該是鼎鼎有名的大人物，維基百科卻沒有她們的頁面。『我覺得很生氣，那天晚上我坐在宿舍的走廊直到兩點，為的就是把第一篇關於女性科學家的文章寫出來……』。」

不出幾年，維基百科上就增加許多女科學家的條目。其中有 376 位女科學家的頁面登上 Wikipedia 首頁「你知道嗎？」的專區，更有 30位女科學家的條目以「好」或「特色」(featured)的評價通過同儕審查。

Temple-Wood 也在大學主持維基百科編輯會議，和她一起共事的編輯 Rosie Stephenson-Goodknight 形容她是「維基百科處理關於女科學家性別議題的重要典範」。

前維基百科創辦成員 Siko Bouterse 也說 Temple-Wood 在性別上的影響是前所未有的：

她撰寫了上百篇關於女科學家的文章，其中包含許多面向。她不只寫白人女科學家，也處理維基百科在不同種族的女性條目上數量不足的問題。而最重要的，Emily 還啟發其他人一起進行……當我還是小孩時，我認識的女科學家一隻手就數的完，但在 Emily 的努力下，我知道我們的女兒之後會有免費的知識管道來了解女科學家，這真的非常強大。

不幸的是，因為 Temple-Wood 是女生，她成為網民騷擾的主要對象。這些人經常問她要不要出去約會；公開討論她的身體、不斷暗示她能有今天的地位，是因為以身相許；還問 Emily 要不要也給他們一樣的服務。如果 Emily 不回應，他們就會口出惡言。

這樣的經驗對現在傑出女性來說並非不尋常，但 Temple-Wood 有一套自己的抗議方式，讓這樣的騷擾成為她前進的動力。她只要一收到騷擾信，就馬上建立一位女科學家的維基條目，像是 Liliana Lubińska 、 Katharine Luomala 、 Adelaida Lukanina 等都是這種情況下的產物。

正如 Bouterse 所說，這樣的騷擾「雖然很可惡，卻又恰好象徵目前女性在網路上面臨的真實情況」：

這種騷擾造成的情感傷害非常巨大。令人驚訝的是， Emily 能讓每個騷擾成為能量，藉此反嗆那些希望女性在網路沉默的人。這非常需要勇氣。

拜這些騷擾所賜， Temple-Wood 已經有一堆文章要寫，她反過來感謝這些騷擾者，幫助她對抗維基百科的系統性偏差。 和她共事的編輯Stephenson-Goodknight 說：「記住我的話，總有一天我們會寫到她的故事和科學發現，特別是如果 Emily 的研究成果能治癒他們的媽媽或姊妹，我會很想知道這些在網路上騷擾和誹謗她的人，到時候會怎麼想。」

本文翻譯自 “The new alchemy: turning online harassment into Wikipedia articles on women scientists“，作者為 Ed Erhart，維基媒體基金會 CC 3.0授權。