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中國造紙術如何傳遍世界?──《中華科技史學刊》

中華科技史學會_96
・2016/03/20 ・3944字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

作者:陳大川(中華科技史學會會員)

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東漢蔡倫造紙是人類文明進展的重要推手。

原始功能、多元載體

蔡倫發明的植物纖維紙是代替竹簡與縑帛,功用是記事、傳文。世界古文明國家也各自發明有同樣功能的「紙」,如埃及用像蘆葦莖做的 papyrus,被翻譯為「埃及蒲草紙」,也可用小莖植物沾石油黑液在上面寫字。印度的 pattra,中國古稱「貝多落葉紙」,是晒乾的棕梠葉用尖針寫字後塗一層黑色粉,就可當書來讀。中東的美索不達米亞,又稱兩河流域,用河邊的泥土做成塊狀,半乾時在上面寫字,至今博物館中仍可見到實物。其他如歐洲的臘板、非洲的石壁、土耳其的羊皮紙,以及美洲及太平洋島中原住民用的 amatle、kapa 等樹皮布紙等,都可以作記事傳文用,與中國的紙載體不同,使用功能卻都一樣。中國式蔡侯紙的原料為民間廢物,製作簡單、花錢少、用途多,因此,世界文明古國自中國造紙方法傳入後,原有的載體短期內便被淘汰。

圖A為印度的pattra,圖B為埃及的
圖A為埃及的papyrus,圖B為印度的pattra。

中國紙豐富東方文化

公元 105 年蔡倫發明造紙後,原料種類、製造方法、產品、種類、官民用途等,都不斷改進,至南北朝時,造紙法已傳到新疆邊境。東晉末年,傳統上一貫使用的竹簡、木牘、縑帛等文字載體被禁止使用(桓玄廢竹簡),只有植物纖維製紙張是唯一的重要文化記載工具。東晉初因戰亂使黃河流域貴族南遷,得南方氣候溫和、物產豐富之利,直到唐宋時期,造紙印書等文化事業仍以江南為重鎮。很多人都知道的大書法家王羲之,在浙江任會稽令時,贈送朋友的紙,一出手就是九萬張,可見當地產紙的豐富。在那時期,中國書法已由慢速度的篆、隸、楷、行等書體,進入快速度的章草、行草、狂草等,共有 120 種不同書體之說,可見當時的紙已使中國進入書法藝術的時代。接著,木刻版印刷術發明,使得中國儒家的文史經典、道家的符咒經書、來自印度的讖語佛經,都在數百年中大量發行,並流傳到韓國、日本和南洋各國,讓中國文化影響東方各國達千年之久。

戰爭使造紙祕密流向西方

紙用於文化,也是商務用品。韓國以東、北越以南、新疆以西,這些邊境鄰國當時多用紙而不造紙,尤其是西域各國,多為原居中國北方的各種民族,因互相爭戰而西遷,遊牧生活缺乏植物纖維原料,更不知造紙的祕密。自從產玉的和闐國王要求下嫁的唐朝公主盜出蠶種、植桑製絲以後,造紙原料桑皮豐富;位居西方要道,文化較高的撒馬爾罕國,便成為中國造紙方法傳入歐洲的起點。造紙術傳出中國的原因為戰爭:漢朝通西域,使西域為中國藩屬。至唐朝,因守將貪汙,引起西域各國聯合抗唐。西元 710 年,新疆邊境外的「怛羅斯之戰」戰敗,唐聯軍中產汗血馬的大宛國,該國王妃由唐朝長安帶來的造紙及裱褙技術人員成為戰俘,於是中國造紙術便傳入當時叫大食國的阿拉伯國家,該國對造紙法保密,獨自銷售紙張至埃及、中東及歐洲達四百年之久。 至 11 世紀,歐洲各國發動十字軍東征,攻打伊斯蘭教國家,這場延續數十年的宗教戰爭,使西歐的英、法、日耳曼、義大利等地區人士見識到東方的豐富資產及重要的造紙技術。

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唐朝軍隊在「怛羅斯之戰」中落敗後,造紙工匠成了戰俘,造成造紙術傳出中國,並隨著十字軍東征遠傳至西歐。

波斯滅亡,使回教獲希臘學術

阿拉伯回教興起,乘波斯與東羅馬帝國長期戰爭民窮財盡之時,一舉將兩國消滅。阿拉伯人利用波斯人及基督教徒由希臘獲得的文經科技知識,設立圖書館、辦大學、翻譯希臘文書籍等。四百年中,提高伊斯蘭國家文化,成為希臘學術及東方文化傳入歐洲的橋樑,使歐洲與希臘斷絕多年後文藝學術得以復興。現在,一些歐洲至今仍很常用的科學名辭,是從東方及阿拉伯文來的。

結合印刷、紙幣與宗教,書籍遍地發行

中國在唐宋時印刷術便很發達,成吉思汗西征,歐洲人已見識到蒙古軍休閒時玩的彩色紙牌,也見識到木版或木活字印的文件。數十年後,馬可波羅來華,看到元朝民間通用的紙鈔,回義大利告訴朋友,記載於《馬可波羅遊記》書中,提及中國的皇帝聰明,在小片的紙上寫幾個字,就可使全國百姓將自己的金銀甘心送到皇帝的金庫裡。他們後來才知道那就是鈔票。中國的紙鈔故事很多,簡單地講,起源於北宋初的公元 994 年,因戰亂停止鑄造銅錢數月,四川成都商人無法給付大量貨款,乃憑信用以白紙寫金額蓋印支付,稱為「交子」,於是大家仿傚,流行商界,以後乃由政府正式發行,成為今用紙幣。南宋時的公 元 1161-1165 年,發行太多,四年後使整個社會「民不言積,戰士不飽,吏不養廉」。現在世界各國領袖都在學中國元朝的皇帝,每一秒鐘都在用蔡倫發明的紙,用機器快速印製鈔票,同時也使技術人員大傷腦筋:要設法防止仿造的假鈔。能遍行全世界的紙,除鈔票以外,還有宗教性質的印刷品,如佛教的佛經、伊斯蘭教的《可蘭經》,不過,這些宗教印製品都不及基督教的印刷品在國際上的無所不在,並以各地區最通用的語言、文字發行。整個歐洲在 15 世紀宗教改革以前,手抄的《聖經》只有主教等少數人可以閱讀。因造紙工廠的增加及印刷術的改良,《聖經》人人可以閱讀。有些改革教派的教堂甚至將教徒奉獻的金錢投資造紙事業,成為紙廠老闆,印刷更多《聖經》供信徒閱讀。

哥倫布發現新大陸後,荷蘭人與日耳曼人最先到美國辦紙廠,美國與加拿大豐富的森林資源,使後來美、加成為世界造紙最多的國家。信奉基督教的美加地區,大量出版教會用書。據聖經公會的 1993 年的報告,單是《聖經》當年在美國的發行量就多達二億八千多萬本。

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據說聖經的累計發行量超過了 50 億冊,是史上發行量最高的書籍。

因商業需要使人人必須用紙

中國人發明造紙術,用紙也最早,比歐洲人早了一千多年。中國社會重視讀書人,知識多者才可做官,又以農立國,做生意多是小商人,而東方各國也是如此,因此紙的用途仍是多是書籍文書。歐洲人則不同,西元 1500 年之前,來自亞洲、非洲及北方強勢民族在此進進出出,社會重武輕文,在文書方面,以當地的羊皮紙或埃及蒲草紙便可應付政府及宗教之用。十字軍東征是社會商業化的轉折點,來自英、法、日耳曼、義大利等地的十字軍領袖,實際了解東方的富有及商業利益後,是強化農產品和工業原料出口,威尼斯便是最大的出口商港,用紙量也因商務需要而大增,歐洲各地的造紙廠因此不斷增加設備。接著而來的海洋探險、東方香料貿易、發現美洲等,地區性商務不久即發展成世界性的企業,紙張也隨商業大量生產銷售,遍及全球。第一次世界大戰之後,興起了以家庭用品為主的消費市場。起初家庭用的紙,除包裝食物及廁所用之外,沒有新的消耗。第二次世界大戰之後,新產品大量出籠,現在如果家中缺紙,便會全家緊張。現在,紙的三大市場包括文化用紙、包裝用紙和家庭用紙。

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紙在人文社會及工業革命時期

歐洲到十六世紀末,各國都會自己造紙,但產量甚少,主要因各國都需自用廢麻布原料,而新的原料還沒有發現。一百餘年後,紙的產量雖然增加有限,而用紙的人對世界的認識卻普遍提高,也對未來影響甚大。在 17、18 世紀,發生美國獨立建國和法國大革命,更出了許多知名人士,如戲劇家莎士比亞、完成英雄交響曲的貝多芬、理性批判的思想家康德、建立共產主義基礎理論的哲學家黑格爾、浪漫詩人海涅、醉心於中國的伏爾泰,以及跟德國基督教精神有關聯的文學家與哲學家等,而各界名士更多。此時,西、葡、英、法各國相繼用武力及非法手段奪取殖民地,由殖民地取得土產及原料,再將這些工業原料加工為成品銷售世界各地,於是產生資本主義與工業革命。由於學、商、工各界的繁榮,紙的需要更見迫切,造紙方式也由手工改良為簡單機械。公元 1798 年,法國工人利用灌溉用的水車,將紙料倒在緩慢移動的抄紙網,壓水後晒乾,便是原始的機器紙。由於改良不成功,將它賣給機械師,之後又經過 20 年時 間演變,到 1820 年,才完成真正的小型造紙機械。英國最先開始使用機器造紙,歐洲在 16 世紀建立的手工業紛紛設置機器造紙,而 造紙原料也擴充到凡是植物纖維都可以使用的境地,木材、非木材、使用過的廢紙等,原料充足,加上工業革命發明的蒸氣、電力等傳用機具動力設備帶來的便利,使得全世 界稍有規模的國家,幾乎都有製紙漿機器及造紙廠。在公元 2000 年的千禧年時,據國際造紙雜誌統計,全球已有紙漿廠 5,965 家,造紙 89 廠 8,858 家,每年產紙漿約 1.9 萬噸,紙及紙板約 3.2 萬噸,如以全球人口 60 億人計,平均每人每年用紙為 53.8 公斤。事隔十餘年後的今日,因電子媒體的普遍應用,紙的產銷量必然降低。

因為人們對於紙張的需求與時俱增,為了製造紙張和其他木材製品,有大量的森林正在消失當中。© Daniel Beltrá / Greenpeace

未來如何?——功能多元,載體多元

中國用植物纖維造紙,如果不考慮品質,其最大的優點是製作簡便、使用簡便、工具簡單、技術簡單,且需要的投資少,只要有水與適當的纖維就可一人生產,一日收成。最初,紙的用途只是代替用於寫字較貴的絲綢、較重的竹木簡和較寬的木板。中國以外其他文化較高的古國,各用當地的物產代用,用現代語講,真可謂「載體多元,功能原始」。現在是電子產業的世代,紙的記事傳文功能已大半被電子載體取代,舊有的文化用紙公司,多數呈現合併或倒閉,有些工業包裝紙廠也因文化產業的萎縮受到影響,與數年前的繁榮境況不可同日而語,只有約全球四分之一產量的家庭用紙,仍盛況未減,還看不出將來受電子載體影響的可能。人類的生存脫不了物質與靈命。紙是物,是屬靈思想的載體之一,思想是藉眾多載體而愈豐富,未來的載體會藉紙與電子的基地而更擴大,也可能由此基地新增出更多的功能。我們希望如此,也拭目以待。

本文選自《中華科技史學會學刊第 20 期(2015 年 12 月)

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1997年12月3日,七位科技史同好在科學月刊社集會,議定每月第一個週六下午2~5時假科學月刊集會一次。1998年1月10日第2次集會,議定會名為「共工科學史討論會」。1999年5月,改名「中華科技史同好會」。2004年1月,改稱「中華科技史學會」。 中華科技史學定期舉辦與科技史相關之演講活動,自2000年起也開始發行會刊。詳見本會台灣網站(http://sciencehistory.twbbs.org/)及本會大陸博客網站(http://blog.163.com/ludiresearch@126/)。

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

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,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
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 / 圖片來源:envato

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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)」 / 圖片授權:Shutterstock

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。

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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)。

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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。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

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。

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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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【成語科學】洛陽紙貴:從絲綿到用樹皮,古代的造紙簡史
張之傑_96
・2023/06/21 ・1079字 ・閱讀時間約 2 分鐘

東漢以後就是三國和西晉。西晉文學家左思,親自走訪三國的國都——吳都建康(今南京)、魏都洛陽、蜀都成都,耗時 10 年,寫成 1 萬多字的《三都賦》。

這篇賦寫得好極了,大家紛紛買紙來抄,一時供不應求,把洛陽的紙價都哄抬貴了。

這就是成語「洛陽紙貴」的由來。讓我們試著造個句吧。

  • 張愛玲的第一本小說集《傳奇》推出後,同一個月就再版了,受歡迎的程度當真可以用洛陽紙貴來形容。
  • 英國推理小說作家克莉絲蒂,每部小說都洛陽紙貴,其著作已譯成 100 多種語文,總銷量超過 20 億冊。

西元 291 年,左思寫成《三都賦》。上推 186 年(西元 105 年),蔡倫改良造紙術成功。左思的《三都賦》造成洛陽紙貴,可見這時的上層社會,紙已取代了竹簡。

《天工開物》中記載古代造紙術的流程。圖/維基百科

紙是中國的四大發明之一。最早的紙是絲綿紙,是古人無意中發明的。原來我們的祖先早就會製造絲綿了,方法是將蠶繭煮過,攤在竹蓆上,浸在水中打爛。當製好的絲綿從竹蓆上取下來時,蓆子上往往還殘留著一層絲綿。等竹蓆乾了,這層絲綿就變成一張薄薄的絲綿片。

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這一無意中的發現,帶給人們莫大的啟發,於是有人從水中將一層薄薄的絲綿「抄」(撈出來)在竹蓆上,晾乾後就成為絲綿紙。

絲綿紙用蠶絲做原料,價格太高,不可能大量生產,但它的製法卻具有啟發作用:既然可以用蠶絲來製紙,那麼可不可以用廉價的植物纖維代替?到了西漢,人們開始用大麻和苧麻製紙,所用的方法和絲綿紙完全相同;但當時的麻紙又粗又厚,不適合寫字。到了東漢,經過蔡倫的改良,才算有了成效。

蔡倫從小就到皇宮當太監。他曾經管理過宮廷用品,發現當時的書寫材料都有缺點:竹簡過於笨重,帛(絲織的布)和絲綿紙又太貴;於是決心改進造紙方法,希望能找到一種又便宜又實用的書寫材料。

西元 105 年,蔡倫成功改良造紙術。圖/維基百科

蔡倫綜合前人造紙的經驗,用樹皮、麻頭、破布和破魚網做原料,將它們剪碎、蒸煮、搗爛,然後「抄」在蓆子上,晾乾就變成紙了。用這種方法造出來的紙,又薄又平,很適合寫字。蔡倫把這項成就報告漢和帝,從此全國各地都開始用這種方法造紙。

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8 世紀時,中國人發明的造紙術傳到阿拉伯。12 世紀傳入歐洲。距離蔡倫改良紙術成功,已經有一千年了!

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我們與科技的距離不遙遠,再生紙是科技也是一門藝術——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》
快樂文化
・2021/01/31 ・2775字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

1969年7月20日,阿波羅 11 號登月小艇離開地球表面。指揮官尼爾•阿姆斯壯 (Neil Armstrong) 是第一個踏上月球表面的人,因為這句話聞名於世:「我個人的一小步,卻是人類的一大步。」

阿波羅 11 號登月小艇。圖/天才達文西的科學教室

科技的真諦

手中握著行動電話,你掌握的科技,比 1969 年美國太空總署提供給第一位登陸
月球、從月球返回地球,並且在月球漫步的阿姆斯壯還要多。以現在的眼光來看, 1969 年的太空科技很老舊,但是以當年水準,這樣的科技卻讓人類迎接探索外太空的挑戰。

運用科學來設計有用的東西並解決問題, 就是科技。科技可以是「解決問題」與「如何解決」的合體。想想手中的行動電話:世界上從來不曾有過這樣的發明,直到 1973 年。

第一個踏上月球表面的人尼爾•阿姆斯壯。圖/Wikipedia

如何應用科學原理製造產品,同樣也是問題。電信裝置製造商摩托羅拉公司,利用實室把實用的原理化為行動,設計出發展行動電話的過程以及終端產品。這些都是科技。

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關於科技,還有一個關鍵點:科技不限於高科技產品。有些科技與新型電腦相較, 看起來並不尖端,卻也是科技,「可以喝的書」(Drinkable Book) 就是經典範例。在開發中國家,這項產品提供人們安全飲用水的資訊。該書的紙張就是濾紙,可以直接過濾水源,據稱能夠減少水源中百分之九十九以上的細菌。這項科技產品用不到電力,也用不到電腦。

所以什麼才可以叫做「科技」?

如何定義科技呢?以下是科技的幾個特徵:

  • 利用科學的過程、終端產品,或是過程與終端產品。
  • 解決問題。
  • 有用途的成果,例如尖端科技改善人類與其他生物的生活品質。
  • 將理論知識付諸實際用途。有了科技,知識不僅是理論,還能化為行動。

開創嶄新科學方法或材料的,就是高科技,通常牽涉到電腦科技或電子科技。通訊專家馬丁•庫柏 (Martin Cooper) 發明行動電話,就是開創高科技。這項科技解決了問題,以創新及實用的方式,運用已知的科學與電子學知識,讓人類享有更安全、更便利的生活。

文藝復興還沒有過時

在達文西的年代,紙張與造紙等過程都可稱為科技。時至今日,從回收資源中得到紙張,也是科技。根據科技的定義,再生紙的生產符合科技條件:

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  • 將使用過且可回收的舊紙製成新紙的過程,需要運用科學。
  • 再生紙解決了幾個體積問題。你曉得嗎?美國一天所丟棄的紙張重量,居然比 250 萬個相撲選手體重加起來都重。這樣的紙量,相當於大約 81.5 萬棵松樹的紙漿量。
  • 再生紙本身就是全新有用的產品。因為紙張資源回收,人們不必再砍伐森林來取得紙漿。再生紙是一種解決方案,對家庭、學校、圖書館與企業都有幫助。
  • 回收紙張的過程,必須實際運用已知的科學,這種運用方式讓大家受益;真是實用。

達文西總是竭盡所能,在紙張盡量多寫、多畫。由達文西的習慣,可以推測他一生當中,紙張一直都是重要且珍貴的科技。從他的筆記本挑幾頁,發現材質是亞麻,且可以追溯到 1508 至 1512 年。

達文西的筆記本為亞麻材質。圖/天才達文西的科學教室

松樹林提供野生動物棲所、保持大地水分,並且讓土壤健康。同樣的場景,少了松樹,試問可堪想像嗎?要有紙可用卻不伐木,紙類回收是選項之一。

因為需提供造紙紙漿,許多提供野生動物棲息的松林遭到砍伐。圖/天才達文西的科學教室

造紙的原料有那些?

1494 年左右,另一位義大利人法蘭西斯科•馬力亞·葛拉帕多 (Francesco Mana Grapaldo) 誇耀義大利紙張的高品質。他這樣描述義大利的造紙科技:「現在我們用破舊的亞麻布或麻布來造紙。」文藝復興時期的義大利造紙工匠發現:質地強韌的麻類植物與亞麻,可以製造強韌的紙張——這樣的紙張流傳數百年,因此達文西的筆記能夠傳世不朽。

時至今日,500 多年過去了,紙張的材質仍然包括麻類植物與亞麻,也包括棉花、黃麻、竹子,當然還有木漿。除了上述材質,也可以採用海藻、香蕉樹漿、花朵與雜草。這些材質有什麼共通點呢?它們都是植物。植物幾乎都可以用來造紙,這是因為纖維質的關係。你的骨骼支撐著身體,纖維質也支撐著植物。

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上圖是顯微鏡底下的洋蔥細胞,也可以看出纖維質為什麼讓結構強韌又有美感。
圖/天才達文西的科學教室

想像一下,纖維質到底是什麼模樣?想像一把長長的、尚未烹煮的義大利麵。同樣的,纖維質也是由葡萄糖(單醣)鏈形成的長條分子構成。從植物抽取出來的纖維質,就像長、韌、黏的白色絲線——最強韌的紙張就是這樣做成的。

上圖是纖維質分子模型,從模型結構可知,為什麼植物與紙張都算強韌。圖/天才達文西的科學教室

造紙也是一門藝術

造紙的時候,必須將纖維搗爛,讓纖維變成紙漿。不過,纖維的分子依舊緊密結合!這是什麼道理呢?因為纖維質由葡萄糖組成。

葡萄糖是食用糖的常見成分,也是大部分植物性食品的成分。根據科學家的歸類,葡萄糖屬於碳水化合物。如同碳水化合物的字面意思,這種化合物由碳、氫與氧組成。你掌握這個資訊,審視纖維質的角度就如同化學家與生物學家囉!

纖維質要怎麼變成紙張呢?這時就需要科學家加入了!事實上,你在造紙的過程裡,也身兼科學家、藝術家與工程師的角色。現在就開始造紙,以回應當今的問題——需要回收以及重新利用紙張的問題。手工造紙完成後,等於同時實踐了科學藝術!

手工造紙的紙漿取自可回收紙張,在模板上攤開就可以變成一張新紙。圖/天才達文西的科學教室

紙張纖維質的長度與強度,決定紙張品質。處理不同類型紙張,可以感受不同的強韌程度。品質愈好的紙張,纖維質的長度愈長。紙張回收愈多次,因為製成紙漿的次數愈多,強韌度也愈差。一張紙大約可以循環使用七次。

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各式不同類型的紙張。圖/天才達文西的科學教室
——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化
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