引擎是把熱轉成運動的一種裝置，除了傳統的氣體加熱膨脹以外，其實還有其他種方式，例如之前介紹過的熱泳粒子引擎，或是輻射計 Crookes radiometer。這影片是展示怎麼用橡皮筋做出熱引擎（在費曼物理裡有提過這例子）。
一般的橡皮筋是由糾結的高分子所組成的，當加熱時候因為各個分子段可以動的方式更多，所以就像纏的越複雜的線會越小一樣，加溫的高分子橡皮會因為纏的越複雜而收縮拉緊（與一般的熱漲冷縮不同）。影片中的燈可以幫橡皮筋加熱，加熱後的橡皮筋因為收縮所以把那部份的邊緣往中間拉一點，這樣一來重心的位置就向沒有加熱的那邊偏移，一旦重心偏移發生，整體就受到一個力矩開始轉動。
雖然是簡單的原理，不過這樣簡單的設計就能把熱能轉成動能，或許有更多聰明的設計可以在不同的場合（太空或是微小化的元件）做為合適的熱能轉換裝置！
本文原發表於 科學影像 Scimage
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？
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。
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：
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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一級方程式賽車（F1 賽車）與電動方程式賽車（FE 賽車）聽來沒什麼不同，但實則南轅北轍。
F1 錦標賽歷史源遠流長，風靡全球，以單座賽車飆出競速運動的極限。 F1 賽事中有最快的車、有自 1950 年來的悠久歷史，還有各世代車迷津津樂道的傳奇車手。另一方面，FE 賽車帶來的是創新與突破。FE 錦標賽始於 2014 年，參賽車種全由電力驅動，比起狂飆耗油，更重視節約能源。而 FE 錦標賽為了吸引觀眾目光，參賽車的外觀也與 F1 賽車非常相似。 近年來 F1 賽事也開始引進環保科技， 導入能源回收再利用系統，賽車因此搖身 一變為油電混合車。2014 年，F1 賽事的主管單位國際汽車聯盟（FIA）下令，所有 參賽車輛都須減少三分之一的燃料消耗。
FE 賽事不太可能威脅到 F1 賽事的商機，因 F1 賽車以全球頂級賽道為舞台，場地路況佳；FE 賽車則主跑道路賽事，不適合電視轉播。另外，賽車的魅力部分來自於引擎全力運轉的轟鳴聲；FE 賽車有氣無力的電動引擎聲，實在無從比擬。因此 FE 賽車短期內不會喧賓奪主，反倒是有機會看到 F1 車隊在未來引進純電動車科技。
F1 賽車目前採用的開放式駕駛艙，雖能讓觀眾掌握駕駛的一舉一動，但也讓車手的頭暴露在外，導致發生碰撞或被車體殘骸擊中的風險大增。2014 年，瑪魯西亞車隊選手儒勒．比安奇（Jules Bianchi）發生事故身亡，促使各車隊以安全為考量，大幅改變駕駛艙設計。兩種新設計於焉誕生：一是由賓士與法拉利車隊研發的車頂防護桿「halo」，外觀像人字拖，可讓車手免受迎面而來的撞擊；一是由紅牛車隊開發的透明車頂罩「aeroscreen」。但國際汽車聯盟表示，可能要到 2018 年賽季才會引進上述的改良式設計。
賽車引擎的噪音是看法兩極的議題。對賽車迷而言，賽車引擎的怒吼聲只是比賽體驗的一部分。然而，引擎噪音除產生噪音汙染，更會造成聽力受損，其責任歸屬不容忽視。目前賽車迷似乎占了上風：2015 年時，F1 賽車引擎改為渦輪增壓後引發民怨，觀眾不喜歡新引擎的單調聲音。2016 年賽季排氣管規定改變，經典的猛烈引擎聲得以部分重現，但許多粉絲仍不買帳。 FE 賽車方面，賽事部高層曾考慮以假的引擎聲蓋過電池的無力運作聲，以饗看倌。但這個想法不久後便遭擱置。究竟異常安靜的 FE 賽車，能不能像吵雜的 F1 賽 車那般受到車迷青睞，還有待觀察。
本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 28 期（2017 年 1 月號）
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從現今習以為常的直升機到未來世代的自動無人機，垂直起降科技已逐漸崛起並躋身主流。
打從人類開始夢想飛行之際，便開始想像替飛機加上垂直起降的功能；其中李奧納多．達文西（Leonardo da Vinci）就是這類科技的創始者之一，他手擬了一款現代最常見的垂直起降飛機──直升機。達文西的設計雖未經實際測試，也從未真的飛離地面，但這種俗稱「空氣螺旋槳」的機器採用螺旋設計，其實早已用上了壓縮空氣製造升力的基本原理。
自那時起，有一大票發明家都希望能將自己的原型機送上藍天，但接下來五百年間，垂直起降的科技似乎沒什麼進展。達文西的自轉旋翼機（gyrocopter）儘管已經落伍許久，這位義大利天才所採用的飛行原理基本上卻沒什麼改變。
二十世紀初可說是飛行世代的開端，1907年，法國的垂直起降科技終於順利通過測試，這可是史上頭一遭。飛行界的領頭先鋒雅各．寶璣（Jacques Breguet）、路易．寶璣（Louis Breguet）與保羅．柯努（Paul Cornu）發明了可以短暫低空盤旋的垂直起降飛機，垂直飛行技術首度向成功邁開了一小步。
接下來的數十年間，航空科技發展迅速，各式各樣的設計如雨後春筍般自世界各地湧現。第一次世界大戰期間，各國對於更新、更快、更有效率的戰機需求激增以便深入敵軍，因此直升機大抵上仍然不受重視，直到1940年代與第二次世界大戰期間，情勢才改觀。德國納粹早期會運用直升機進行偵察、運輸與傷患後送等任務，但直到1944年直升機才開始量產。
數百架由工程師伊戈爾．西科爾斯基（Igor Sikorsky）設計的R-4、R-5、R-6直升機在二戰最後一年間陸續完工出廠，提供同盟國部隊諸多支援，二戰剛結束時，垂直起降飛機更是聲名大噪。與達文西的自轉旋翼機不同，新型直升機的主旋葉可以迅速將空氣向下壓擠，製造出升空不可或缺的升力，尾端也有一組尾旋翼，可以避免直升機原地打轉。
隨著國際局勢陷入冷戰時期，許多人認為垂直起降飛機會是未來的趨勢。當時全球的確有遭受核子爆炸摧殘的可能性，災難一旦成真，所有可用跑道都將遭到摧毀，因此若有飛機能夠在任何地方隨時起降，必可稱霸天空。因此，美軍後來便陸續嘗試許多古怪的垂直起降飛機，如實驗性戰鬥機洛克希德XFV鮭魚機（Lockheed XFV Salmon），或甚至是受到飛碟啟發的飛行車（Avrocar），但絕大多數都失敗，計畫也隨之中斷，唯一成功挺過冷戰時期的只有英國航太公司（BAE）製造的海鷂戰鬥攻擊機。
海鷂機也叫鷂式戰鬥機，是第一款研發成功的垂直起降噴射機；四管向量噴嘴可以將噴射機的引擎推力導向90度內的任何角度，讓飛機能夠縱向、橫向飛行，在空中改變行進方向，或甚至滯空盤旋。
海鷂機具備了垂直起降能力，所以特別適合在航空母艦上執行任務，其渦輪風扇引擎由勞斯萊斯（Rolls-Royce）製造，搭配卓越的靈活性與先進武器系統，令人不敢小覷。
另一架於冷戰時期出線的飛機則是V-22魚鷹機。在貝爾與波音兩公司聯手之下，具備縱向推力的魚鷹運輸機搭載了兩組傾斜式旋翼，能像直升機一樣盤旋或垂直降落，也能轉換推進方式，像渦輪螺槳飛機一樣飛行。
魚鷹機的飛行距離超過740公里，能夠迅速運送30人的部隊，在美國海軍陸戰隊執行重大潛入與撤離任務時扮演了重要角色；魚鷹機甚至還能將25公尺長的機翼收攏，將機身縮到只剩5.6公尺寬，因此非常適合停放在航空母艦上。
時代不同，工程師須克服的挑戰也隨之不同。軍方現今面臨的問題除了製造飛機要經濟實惠，靈活性高，飛機還要具備智慧才行；未來軍火商與國防部會愈加重視將垂直起降科技應用到軍用無人機上。
雖然目前操控這些機器的電腦已經走在時代尖端，但讓機器升空與平安落地的物理學基本上並未改變。
不管是透過遠端遙控還是自動飛行，垂直起降無人機能完成的任務將相當多元，包括運輸、偵察或甚至發起攻擊。到目前為止我們已經介紹了幾項令人振奮的願景，這些都是航空產業中最棒也最聰明的發明，垂直起降科技勢必稱霸下個世代。
美國航太總署（NASA）的混合式電動飛機別名「滑溜閃電GL-10」（Greased Lightning GL-10），翼長僅三公尺，但卻把垂直起降科技利用得淋漓盡致。十具獨立螺旋槳可加大垂直攀升的效率，接著機翼與尾板可一同傾斜改變角度，並轉為橫向飛行；兩具螺旋槳提供全部動力以節省能源，其他螺旋槳則依據空氣動力學的概念暫時收攏。
由於動力來自潤滑油般的燃料與電池電力，所以GL-10才得到滑溜閃電的別名。引擎採混合動力設計，代表這架飛機不會像一般的噴射機一樣笨重，機體設計自然俐落得多，能源消耗也減低不少。
GL-10原型機顯然體積太小，運輸酬載量不大，但NASA透露，GL-10屬於「無尺度」（scale-free）設計，亦即其重量與量度規格也能套用到更大的尺寸；也就是說，如果進一步測試順利，與GL-10相似的大型機種將愈來愈普及。
本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期（2015年10月號）
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