整個世界都是我的裝備庫！來看看地表最強的水熊秘訣

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」。

進一步了解商品：https://shop.amway.com.tw/products/2071?navigationType=brand&

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物，能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠，遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期，有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐：和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞，讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果，讓作者可以做出這種宣稱？科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢？

什麼是量子糾纏？

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述，至於實際上到底是在「糾纏」什麼，可以參考先前這篇文章^[2]。

儘管名字聽起來很神祕，但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場，現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說，但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制，結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統，生物體的結構可說是極為雜亂複雜，難以成為量子實驗的對象。

此外，為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響，糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續，許多物質的特性也都已經改變。

因此，儘管實驗方面已經發展許久，要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說，整個生物世界太亂又太熱，完全不會想靠近一步。正因如此，這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大，算是「巨觀」生物中相對微小的種類，要做量子實驗的話較好下手；更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境，爾後再重新恢復活力，如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度（也就是只比絕對零度高 0.01 度），同時接近真空的環境中，在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中，並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏，並測試糾纏結果。

根據測試的結果，作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說，水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元，和另外兩個超導位元糾纏在一起！實驗結束後，水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍，最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制，打開了通往量子生物學的大門，並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題，將文章的預印版放上了 arXiv 網站，引起科學界一片譁然。

等等，這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣，媒體也爭相報導，但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動，突破性恐怕也是過於誇大。

I said I was done with the “qubit entangled with a tardigrade” discussion (regarding an unpublished manuscript that appeared online recently). But now that misleading news pieces are coming out, I decided to spell it out at a non-technical level

1/nhttps://t.co/gjjhX6ss8g

— Ben Brubaker (@benbenbrubaker) December 18, 2021

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣，裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路；而接近絕對零度的水熊，基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面，會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵，其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊，灰塵，還是螞蟻，這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的，並非量子現象。

也就是說，作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實，甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊，因此沒有經歷同行科學家的審查，還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進，目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的，那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天，水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言，好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按：該如何驗證量子糾纏，可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天：06/28〉，此論文的主要問題是不能藉由實驗設計，來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

1. 看過「水熊蟲」走路嗎？——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似！
2. 照出黑洞不算什麼，科學家連量子纏結都能拍到！？
3. 水熊和超導量子位元的糾纏（原文）

我們都知道生命是非常頑強的，在一些極端環境如高熱強酸的火山溫泉、高壓強鹼的深海等，都能找到一些生物定居。不過如果想找極端的生存環境，不必到這麼危險的地方，你我身邊其實隨處都有，那就是「混凝土」之中。混凝土內部的環境對生物來說也是極端苛刻：強鹼、高鹽、乾旱、缺乏食物。而近期發表在 mSystems 上的研究顯示，即便是混凝土之中，也有生命存在^[1]。

混凝土的組成與缺陷

混凝土是由骨料 (礫石和沙子)、水泥、水和添加物依適當比例配置而成的複合材料。混凝土因有著硬度高、耐高壓、可塑性強、成本低廉、製作簡單、可適用於各種自然環境等特性，成為世界上使用最多最廣的建築材料，幾乎絕大部分的現代土木工程都會用到。

混凝土雖然是優秀的建材，但也並非沒有弱點。鹼-矽反應（alkali–silica reaction, ASR）就是一個會破壞混凝土結構的常見因素。ASR 會讓混凝土產生俗稱「混凝土癌」的狀態。而形成 ASR 的主要原因，就在混凝土中的水泥身上。

混凝土中最常使用的水泥為「波特蘭水泥」，即矽酸鹽水泥。當水泥和水混和後會發生一系列複雜的物理與化學反應，使其凝結與固化。而在這個過程中，會產生大量強鹼物質如氫氧化鈣，這就讓混凝土內部的 pH 值處在 12.5 左右。

正常的混凝土其內部結構相當緻密，基本沒有水分。但當混凝土受到撞擊、搖晃等外在衝擊而產生裂縫後，水就能滲入其中。而當水進入混凝土後，會使混凝土內部的強鹼和矽酸鹽類產生反應，形成水合矽酸鹽。這些水合矽酸鹽會在混凝土內部產生不均勻的膨脹，而當水合矽酸鹽的數量達到一定後，就會造成混凝土的破裂。

要避免 ASR 的一個方法，是在混凝土中加入飛灰（fly ash）。飛灰是火力發電廠在燃燒後所產生的廢棄物，其主要成分為 SiO₂、AI₂O₃ 和 CaO。飛灰會和水泥中的強鹼進行卜作嵐反應（pozzolanic reaction），該反應是透過 SiO₂ 和 AI₂O₃ 等物質與強鹼反應形成膠體。因此加入飛灰到混凝土中，不僅能降低 pH 值，產生的膠體也可用來填補孔隙並膠結骨材，以更好的填塞混凝土中的孔隙。

混凝土中的細菌種類

研究已知有多種細菌能生長在混凝土的表面，而當混凝土因 ASR 或其他因素產生裂縫後，細菌也能從表面進入到混凝土內部，而這就有可能會對混凝土產生進一步的影響。由於混凝土是世界上最常見的建材，為了確保建築物、橋梁和道路的結構安全，越來越多科學家開始關注生存在此的微生物群，與其可能對混凝土所造成的影響。

過往的研究已證實混凝土內部確實有細菌生長，但這些研究的主要對象是隨著裂縫從表面進入混凝土之中的細菌。而美國德拉瓦大學的研究團隊更進一步，研究「本來」就生活在混凝土內部的細菌^[1]。

為了進行研究，研究團隊製作了兩種混凝土樣本：一般混凝土和加入飛灰的混凝土，並將這兩種樣本放在屋頂上模擬自然風化的環境，然後每六週進行一次取樣分析，以了解混凝土內部的細菌組成。

他們最初的設想是，沒有加入飛灰的樣本會因 ASR 產生更多裂縫，這樣混凝土表面的細菌進入到內部的機會就更大，這就會讓兩種混凝土內部的細菌種類會隨著時間推移而有所不同。

在持續兩年的分析和追蹤後，研究團隊發現混凝土內部的細菌組成主要為變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria）這三大類。雖然這三大類細菌是主要組成，不過隨著時間推移和季節的改變，混凝土內部的細菌組成也會有所不同。舉例來說，實驗初期的細菌種類明顯較多，但隨著時間的推移，細菌的多樣性會持續下降。不過這種多樣性的下降，會在溫暖多雨的夏季有短暫的反彈，只是一過了夏季，多樣性又會再次降低。

而上述的結果在兩種混凝土的樣本中並沒有明顯的差異。也就是說，不論混凝土的材質是否能抗 ASR，其內部的細菌組成和變化都差不多。

研究團隊認為，這些主要菌種很可能是隨著混凝土的主要原料 – 即骨料和水泥進到混凝土內部的，因此牠們才是最能適應混凝土內強鹼、高鹽、缺水和缺乏食物環境的優勢物種。雖然在高溫多雨的季節，混凝土的外的細菌能進到內部，但牠們終究無法很好地適應混凝土的環境。所以夏季結束後，這些外來的細菌不是進入休眠狀態，就是被內部的細菌當成食物給吃掉了。也因此在有無 ASR 的情況下，混凝土內部的細菌組成都不會有太大的改變。

為了驗證混凝土內部的細菌可能是來自組成原料，研究團隊先分析了混凝土原料中的細菌組成，並和實驗初期與末期的混凝土樣本中的細菌組成做比較。結果發現，礫石（骨料的一部份）提供了混凝土內 50~60% 的細菌來源。

另一個提供細菌的重要來源是水泥，雖然水泥提供的細菌種類不像礫石那麼多，但隨著時間的推移會逐漸增加為第二多，而這個結果在有無加入飛灰的樣本中，都是一樣的。這也證實了，混凝土原料中的骨料（礫石）和水泥，是提供混凝土內部細菌組成的主要來源。

混凝土與細菌的關係

那麼這個研究的結果，能提供我們甚麼樣的資訊呢？研究團隊認為，既然混凝土內部的細菌組成是不太變動的，可以將細菌組成當作混凝土內部環境的「指標」。例如當檢測到混凝土內部的細菌組成有改變時，就表示混凝土內部的環境很可能也改變了。要知道混凝土內部環境的改變，會影響到混凝土的整體結構和安全性。

但想做這個應用，首先要確認混凝土內部環境的改變，確實也會讓細菌組成改變。另外這個研究只在美國進行兩年的實驗，因此研究的結果是否能應用到全世界的混凝土，要打一個很大的問號。畢竟混凝土所處的環境不同，其內部的細菌組成是否也會有所不同，是需要實驗驗證的。

除了做為「檢測」混凝土結構安全的指標，其實很早以前就有其他科學家提出讓細菌作為「修復」混凝土工具的想法了。這個想法的原理其實很簡單，藉由加入能產生碳酸鈣等可以填補縫隙的細菌到混凝土中，就能達到生物修復了。不過這種應用方法比起「檢驗」需要更多的實驗，畢竟我們現在連這些細菌會對混凝土產生怎樣的影響都不知道，一個弄不好，說不定本以為是修補用的細菌，最後卻變成破壞者。

雖然這個研究並不能告訴我們這些生活在混凝土內部的細菌，會對混凝土造成何種影響，但卻是一個讓我們了解細菌與混凝土之間的起頭。另外這個研究也再次證明了，即便環境再惡劣，生命自然會找到自己的出路~

參考資料

1. Kiledal EA, Keffer JL, Maresca JA. Bacterial Communities in Concrete Reflect Its Composite Nature and Change with Weathering. mSystems. 2021 May 4;6(3):e01153-20
2. 混凝土
3. Alkali–silica reaction
4. 波特蘭水泥