中華民國 104年 4月

Science Development 508NO.

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能源和全球暖化是世界性的大問題，各國科學家都在絞腦汁尋求答案。大家都知道，燃煤的火

力發電廠的二氧化碳排放量最大，但大家仍在燒煤，台灣燒煤，大陸也燒煤，原因當然在於發電的

成本。

大家也都知道應該開發再生能源。再生能源的種類很多，都有科學家在研究開發的技術。需要

解決的問題不外：量有多大？價格多高？也就是，一旦開發成功之後，能夠滿足全部能源需求的百

分之幾？發電的成本是多少？如果與目前的電價相比高了一些，社會大眾是可以接受的，但若高得

太多，就不一定了。到目前為止，尚沒有一種再生能源能滿足以上兩個問題。大家努力的目標是，

把各種再生能源加總起來，能夠供應全部需求中一個適當的比率。

目前台灣再生能源中所占比率較高的，除了慣常的水力發電之外，是在焚化爐中燃燒生質廢棄

物所發的電。

太陽能是發展得頗有成績的再生能源，包括太陽能光電與太陽熱能。開發一種同時收集太陽能

光電與熱能的整合型太陽能收集裝置，在技術上應該不是困難的事。

現在，又有學者提出開發太陽能的一個新途徑，就是利用光觸媒，把太陽能轉化成化學能。這

實際上是綠色植物一直在做的事，稱之為光合作用。它們利用葉綠素為觸媒，把水和二氧化碳合成

為植物體所需的養分，同時把太陽光中的能量轉化為這些養分中的化學能。只是綠色植物轉化太陽

能的效率是很低的。設法利用光觸媒把太陽能轉化為化學能的學者的第一個競爭對手就是綠色植

物，在這一回合的競爭中，這些學者已操勝算。

其次一個要比較一下的是太陽能光電。這個利用光觸媒的新途徑所得到的是燃料，例如氫中的

化學能。如果最終的目的是發電，燃燒氫發電時，由於是「熱機」的關係，在效率上要打一個折扣。

即使用的是燃料電池，其效率也不是百分之百的。這新途徑的一項優勢是，燃料是可以儲存、運輸

的，可以在需要時拿出來用，不像太陽能光電，只在有日照時才有電。

利用光觸媒，將火力電廠排放的二氧化碳與水再合成為燃料，是一個很有創意的構想，只是，

火力電廠排放的二氧化碳的量非常大，這又要回到設備規模與操作成本的問題上了。

編│者│的│話

Science Development

科學發展　2015年 4月│ 508期 01

02 科學發展　2015年 4月│ 508期

中華民國 104年 4月 56Science DevelopmentDevelopment

5081 編者的話

目 錄CONTENTS 專題報導

4 把太陽光轉成化學能 吳紀聖

6 利用奈米金屬提高水分解產氫效率 陳致融、劉如熹

藉由金屬奈米粒子的修飾使能隙變小，可有效提升光催化水分解效率。

12 綠色工廠 ─ 薄膜式光反應器 楊鎧輿、李岱洲、吳錦貞

光電化學反應器除了產電外，也能以化學能的形式儲存能量。

18 氫新光綠能 ─ 水分解光觸媒技術 林欣瑜

開發具可見光催化活性的水分解光觸媒是必須解決的難題。

24 奈米結構捕捉太陽光分解水製氫 林彥谷

科學家已能運用氧化鋅的反蛋白石結構收集太陽能，把水轉變成氫燃料。

28 擺脫庫倫作用力的光觸媒 吳季珍

利用連續式接觸面光觸媒能使更多的光電子與光電洞對有效地分離。

34 「潔」能減碳 ─ 太陽能科技的新應用 林家裕

運用太陽能技術把二氧化碳還原成含碳燃料，可達到永續二氧化碳再利用的目的。

一般報導

40 內外兼顧非胰臟不可 郭朝禎、邱姜硯

胰臟與肝臟攜手合作，一起調節人體的血糖平衡。

48 複合材料的創新與利用 王雲哲

複合材料是可以設計的，因此可達到傳統材料無法提供的功能。

03科學發展　2015年 4月│ 508期

68 0956 台灣發展波浪能的評估 呂錫民

澎湖海域是深具開發潛力的波浪發電場所。

60 「飛鼠部落」一九九七 傅麗玉

這是一個運用不斷日新月異的科技，發展原住民科學教育的網站。

66 曆法趣談 陳關榮

如果不考慮農曆，印刷廠只需儲備 14 種日曆模板就足以循環使用。

70 一些科學家的愛情故事 蘇明德

這些成功的科學家身後，都有一位支持他的人生伴侶。

台灣新發現

74 尋找 B細胞抗原決定位的利器 李銘杰

76 邁向智慧電網的第一步 吳美枝

科技新知

78 解酒荷爾蒙／芬蘭浴／我們都是基改生物／

以抗癌藥治療脊髓損傷／習慣成自然／飢餓與購買欲／

自戀的起源

王道還

科學、技術與社會

82 感官世界 ─ 食品安全、信心危機與「標示不清」的身體感 郭文華

1 編者的話

目 錄CONTENTS 專題報導

4 把太陽光轉成化學能 吳紀聖

6 利用奈米金屬提高水分解產氫效率 陳致融、劉如熹

藉由金屬奈米粒子的修飾使能隙變小，可有效提升光催化水分解效率。

12 綠色工廠 ─ 薄膜式光反應器 楊鎧輿、李岱洲、吳錦貞

光電化學反應器除了產電外，也能以化學能的形式儲存能量。

18 氫新光綠能 ─ 水分解光觸媒技術 林欣瑜

開發具可見光催化活性的水分解光觸媒是必須解決的難題。

24 奈米結構捕捉太陽光分解水製氫 林彥谷

科學家已能運用氧化鋅的反蛋白石結構收集太陽能，把水轉變成氫燃料。

28 擺脫庫倫作用力的光觸媒 吳季珍

利用連續式接觸面光觸媒能使更多的光電子與光電洞對有效地分離。

34 「潔」能減碳 ─ 太陽能科技的新應用 林家裕

運用太陽能技術把二氧化碳還原成含碳燃料，可達到永續二氧化碳再利用的目的。

一般報導

40 內外兼顧非胰臟不可 郭朝禎、邱姜硯

胰臟與肝臟攜手合作，一起調節人體的血糖平衡。

48 複合材料的創新與利用 王雲哲

複合材料是可以設計的，因此可達到傳統材料無法提供的功能。

單元大標方框對齊右邊

0504 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

把太陽光轉成化學能吳紀聖│專題報導特邀編輯

臺灣大學化學工程學系

當太陽光照射地球時，大約有48 ％（主要是紫外光和可見光）穿透大氣層到達地球表面，其中一部分在被吸收的過程中，轉變成波長較長的紅外光向外太空反射。因為大氣層中的二

氧化碳，反射出的紅外光會在通過大氣層的過程中再被吸收，而阻礙了紅外光重返外太空的

機會，由於這些能量無法有效地從地球表面釋出，因而造成了溫室效應。

工業革命後，大量燃燒煤炭、石油、天然氣等化石燃料，這些化石燃料燃燒後排放的二

氧化碳進入大氣後，就成為形成溫室效應的主要氣體。

自然界的植物行光合作用，是利用碳循環方式把 CO 2和 H 2 O轉化成碳氫化合物，提供地球上生物所需的能量。今天使用的化石燃料，事實上就是古代植物儲存的太陽能，化成煤、

石油或天然氣埋在地下。因此光合作用是解決能源和溫室氣體 CO 2問題最終極的方法。無奈全球植物光合作用的速度，比不上燃燒化石燃料的速度，以致越來越多的 CO 2累積在大氣層中，加速溫室效應造成全球暖化。

專題報導

單元大標方框對齊右邊

0504 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

光合作用是植物在太陽光照射

供給能量時，以葉綠素把二氧化碳和

水轉化為碳水化合物，同時釋放出氧

氣。簡單而言，光合作用可分為水分

解產氧的光反應和還原 CO 2轉化成葡萄糖的暗反應。

光反應是吸收太陽的光能轉變

成化學能，得到分解水所需要的能

量，把所產出的氧氣排到大氣中，

生成的氫離子則由 NADPH攜帶到暗反應裡，提供 CO 2轉化成葡萄糖分子時氫的來源。NADPH脫氫後變成NADP +，循環回到光反應，結合氫離子再轉成 NADPH。光反應會同時產生 ATP，提供暗反應所需的能量，把 CO 2升級成具有較高化學能的葡萄糖。用完的 ATP 轉變成 ADP後，再循環回到光反應，吸收能量轉成 ATP。

光觸媒是可以吸收光能量促進催化反應的一種半導體材料。半導體具有特殊的能帶結構，

上層是導帶，下層是價帶，導帶與價帶的能量差稱為能隙帶。外界的能量可以刺激價帶的電

子躍升到導帶，但外界的能量（如光、熱、電場等）必須大於能隙帶的能量。光觸媒在光照

下形成電子電洞對，電子電洞因為正負相吸，大部分會再結合以熱能釋出。剩餘的電子電洞

可以遷移到光觸媒表面，分別進行光催化還原及氧化反應。

光催化反應可分成兩種能量形式，一種是能階上升反應，另一種是能階下降反應。能階上升

反應伴隨著大量自由能（Gibbs free energy）正值的改變，光能量被轉換成化學能，如同植物的光合作用把光能轉換成化學能。上述的水分解產生氫氣及氧氣，就是能階上升反應。能階下降反應

是一種不可逆的反應，反應的自由能是負值，光降解反應如有機物質利用氧分子做光氧化反應，

大多是能階下降反應。

這期專題報導介紹如何效法光合作用的概念，以光催化的方式把太陽光能轉成化學能，

是解決人類能源和溫室氣體 CO 2問題最終極的方法之一。以光觸媒催化的方法透過兩步驟：光催化水分解成 H 2和 O 2，CO 2被 H 2還原成碳氫化合物，達到光合作用的效果。光觸媒運用取之不盡用之不竭的太陽光做為能源，催化二氧化碳還原成高品質的碳氫化合物燃料，不僅可

降低 CO 2溫室效應對地球造成的影響，更是生產能源最自然環保的途徑。

碳是能源循環的攜帶者

光合作用

水、光

生物圈的循環

能量燃燒

生質物

化石原料煤、石油、天然氣

化學產品

二氧化碳

專題報導

06 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

單元介紹對齊左邊

■ 陳致融、劉如熹

使用化石燃料會帶來嚴重的災害，

如果人類能夠跟植物一樣利用光合作用把太陽能轉變為化學能，

是不是就可以解決能源危機呢？

全球能源危機

目前全球所消耗的能量約為 16×10 12瓦特，到 2050年會提升至約 25×10 12瓦特，人類

該如何解決未來如此龐大的能源需求呢？化石燃料是現階段最主要的能量來源，然而使用化

石燃料會對地球帶來嚴重的全球暖化、溫室效應等災害。發展核能或許是另一個可以解決問

題的策略，全球約有 430座核能反應爐，但核能電廠的輻射安全與核廢料的後續處理都是令人擔憂的問題。因此在未來可以符合能源需求並避免製造環境汙染的最佳選擇，就是使用綠

色再生能源以取代化石燃料。

再生能源包含水力、風力、地熱、太陽能等，其中太陽能有取之不盡且用之不竭的優勢，

而深具開發價值。太陽照射到地表的能量約為 1.2×10 17瓦特，相較於其他綠色能源可產生較

高的能量。若可有效利用 5％照射於地表的太陽能，就可維持地球所需能量約 400天，由此可知高效率應用太陽能是刻不容緩的研究方向。

光合作用

基礎代謝率是一個人在靜態的情況下，維持體內基本機能所需的最低熱量，因個人性別、

體重與年齡而有所差異。以一個 70公斤的成年男性為例，基礎代謝率每天約為 1,750卡，即便他整天都只在家睡覺，身體仍會為了維持基本機能而消耗掉 1,750卡。人類可藉由攝取食物獲得所需的養分，但植物不具消化系統，它們如何維持生命呢？

利用奈米金屬提高水分解產氫效率

在未來可以符合能源需求並避免製造環境汙染的最佳選擇，就是使用綠色再生能源。

07科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

植物吸收太陽光後，二氧化碳經由葉子的

氣孔進入植物內部，與根部所吸收的水分在葉

綠體內進行化學反應，就可轉換為葡糖糖並釋

放出氧氣，這是所謂的光合作用，也是植物獲

取所需能量的方式。如果人類也可以像植物一

樣利用太陽能轉變為化學能，是不是就可以解

決所面臨的能源危機了呢？

水如何轉變為能源

陸地在地球表面僅約占 29 ％，海洋則高達約 71 ％，因此植物行光合作用吸收太陽能，把二氧化碳與水轉變為化學能的概念，激發了

科學家模擬光合作用把水資源轉換為能源，進

而解決目前能源問題的想法。西元 1972年，本多與藤嶋兩位學者首度提出人工光合作用的

概念，藉由太陽能催化二氧化鈦材料把水轉變

為氫氣與氧氣，這是所謂的光催化水分解。

氫氣可透過燃燒產生熱能後發電，這過程

僅產生乾淨無汙染的水分子，也可導入燃料電

池直接產生電能，未用盡的氫氣還可經由壓縮

並運輸至所需的地區使用。雖然目前工業上也

可經由水煤氣法使水蒸氣與碳氫化合物反應，

在高溫下透過觸媒催化產生氫氣，但反應爐的

高溫由燃燒化石燃料所產生，仍會在過程中生

成溫室氣體，因此無法避免環境汙染與成本較

高的問題。開發高效能的光催化水分解材料，

便成為備受關注的科學議題。

光催化水分解原理

本多與藤嶋當時所架設的光電轉化槽，

主要由三大部分所組成，分別是金紅石的二

氧化鈦的對電極、白金的光電極與電解液。

在太陽光照射下，水分子在光電極與對電

極分別被分解生成氧氣與氫氣。在介紹光

催化水分解基本原理前，必須了解什麼是

半導體材料。

一般金屬材料不具有能隙，在室溫下就

可導電。絕緣體則因為能隙較大，電子無法

被激發而不導電。半導體材料的能隙介於導

體和絕緣體之間，當受到大於能隙的能量激

發後，價帶的電子會躍遷至導帶，因此可以

導電。而二氧化鈦光電極就是半導體材料，

在吸收大於其能隙的入射光後，電子由價

帶受激發躍遷至導帶，並在價帶留下電洞。

導帶的電子經外電路傳導至白金對電極，

並還原電解液中的質子產生氫氣，價帶的電

洞則氧化水分子產生氧氣，這就是人造光合

作用 ─ 光催化分解水 ─ 的基本原理。在未來可以符合能源需求並避免製造環境汙染的最佳選擇，就是使用綠色再生能源。

西元 1972年，學者首度提出人工光合作用的概念，藉由太陽能催化二氧化鈦材料把水轉變為氫氣與氧氣，這是所謂的光催化水分解。

光催化水分解的光電轉化槽示意圖

e e

ee

V

H 2

H＋

O2

H 2O

對電極 光電極

價帶

導帶

h

專題報導

08 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

光催化水分解的限制

由於水的氧化和還原的電位差是 1.23電子伏特，半導體材料欲進行水分解反應

產生氫氣與氧氣，必須符合 3個基本條件：能隙必須大於 1.23電子伏特、半導體的導帶最低電位必須較水的還原電位負、半導

體的價帶最高電位必須較水的氧化電位正。

大多數符合這些限制的材料有較大的

能隙，例如二氧化鈦的能隙約為 3.2電子伏特，因此僅能受紫外光照射激發。然而紫

外光只占太陽光約 5％，使這些材料進行光催化水分解的效率不理想，因此科學家提

出了許多策略改善催化活性。最常見的就

是在半導體材料上修飾吸收可見光的染料

或量子點，因而可有效利用可見光波段以

提升光催化水分解效率。

此外，當半導體能階位置不理想時，

例如半導體的導帶能階未能較水的還原電

位負而無法產生氫氣，或其價帶能階未能

較水的氧化電位正而無法產生氧氣，則必

須透過加入犧牲試劑完成水分解反應。犧

牲試劑是強氧化劑或強還原劑，分別接收

光激發所形成的電子或電洞，進行不可逆

的氧化還原反應，使半導體材料分別僅進

行產生氫氣或氧氣的反應，進而完成反應

或提升效率。

奈米金屬提升水分解效率

能隙大小與能階位置都符合水分解限

制的半導體材料，受到能量大於能隙的光

激發後，產生的電子與電洞若未遷移至半

導體材料表面與水分子反應，則在材料內

部進行電子與電洞再結合，會降低光催化

水分解的效率。

解決這困難的策略是降低半導體材料

的粒徑大小或提升其結晶度，使電子與電

洞遷移至表面的路徑縮短或遷移的效率提

升。此外，也可在半導體材料上沉積共催

化劑以改善這缺點，共催化劑扮演電子載

體或電子受體的角色，而金奈米粒子就是

良好的電子受體。

奈米究竟是什麼東西呢？它其實是等

於十億分之一公尺的長度單位。若把台灣縮

小為十億分之一後，其面積大約像一粒鹽。

而籃球之神麥可喬丹的身高約為 20億奈米，針頭的直徑大略等於 100萬奈米，氫原子則大略等於 0.1奈米。當塊材尺度的材料縮小至奈米等級後，比表面積會大幅增

加，其光學、熱力學與電磁學性質都會改

變。而金奈米粒子就具有高電子傳導的優

點，修飾在半導體材料上可有效導出內部

光激發的電子，防止與電洞再結合，進而

提升光催化水分解的效率。

什麼是表面電漿共振

近年表面電漿共振也是提升光催化水

分解效率的熱門研究主題，什麼是表面電漿

表面電漿共振示意圖

＋

＋＋＋＋

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－－

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－

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－

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＋＋

電場 電子雲

金屬奈米粒子

09科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

共振？光具有粒子與波動二象性，其中由波

動性可得知光是由垂直於行進方向的電場與

磁場所組成，而光入射於奈米金屬粒子（例

如金、銀、銅等）時，它的表面電子會隨著

光的電場產生集體振盪。當入射光與電子振

盪的頻率相符時會發生共振吸收，這就是表

面電漿共振的基本原理。

奈米金屬粒子的表面電漿共振吸收波

長，受其成分、粒徑、形狀與周圍環境的

介電常數所影響。金與銀奈米粒子由於電

荷密度的差異，球狀金奈米子的表面電漿

共振吸收波長大約是 560 nm，銀奈米粒子

則因電荷密度較低使振盪頻率較高，其共

振吸收波長約為 420 nm。

棒狀的金奈米粒子長軸與短軸的表面

電子受光激發所產生的振盪頻率也不同，

因此可以觀察到兩個不同波長的共振吸收

峰。短軸的振盪頻率較高，吸收波長約在

560 nm。長軸的吸收波長則隨著棒狀奈米粒

子的徑長比越大而往長波長位移，波長範

圍大約是 650∼ 900 nm。

表面電漿共振提升光催化水分解

效率

表面電漿共振提升半導體材料光催化

水分解效率的機制可分為兩大類，第一類

是熱電子注射。當表面電漿共振激發時，

金屬奈米粒子中的電子會提升至較高能量

的狀態，而這些高能電子稱為熱電子。熱

電子可突破金屬奈米粒子與半導體材料間

的能量障礙，直接注入半導體材料的導帶，電子受光激發所產生的振盪頻率也不同， 的能量障礙，直接注入半導體材料的導帶，

專題報導

10 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

進而提升光催化水分解的效率。由於金屬

奈米粒子失去電子後帶正電荷，電解液中

的陰離子可與其達到電荷平衡。

第二類則是電漿誘導場效應。半導體

材料生成電子與電洞的機率深受周遭電場

所影響，此外半導體材料的電子與電洞生

成速率正比於鄰近電場的強度。

奈米金屬粒子產生表面電漿共振的電

場強度，在空間中是非均勻的分布。這電

場在半導體材料與奈米金屬的界面間強度

最強，造成電子與電洞在界面間的生成速

率最快，可有效避免電子與電洞再結合，

因此提升了光催化水分解的效率。此外，

入射光行經半導體材料結構內部時，部分

入射光並未完全被半導體材料吸收，而金

屬奈米粒子可扮演如同反光鏡的功用，使

未被吸收的入射光散射與反射，半導體材

料便可再吸收這些散射光或反射光。

若以大樓用水來比喻表面電漿共振的

水分解機制，自來水廠就猶如半導體材料

的價帶，大樓的頂樓水塔則是導帶，水就

好比受光激發所生成的電子。而金屬奈米

粒子的表面電漿共振所產生的電場就像是

抽水馬達，使水經由自來水管順暢引導至

頂樓水塔供住戶使用。想像如果這個水塔

上的蓋子就是金屬奈米粒子與半導體材料

間的能障，但這蓋子的密封性不理想，雨

水可以滲入水塔內把它填滿，這時雨水就

扮演如同熱電子的角色，可額外提供水資

源給住戶使用。

以金屬奈米粒子修飾的半導體材料應

用於光催化水分解，雖然可有效藉由表面

電漿共振提升其效率，然而這些材料催化

活性的改善，是熱電子注射或電漿誘導的

電場是主要的貢獻呢？為了解這兩個表面

電漿共振提升的水分解機制，科學家設計

了許多實驗進行分析，例如把絕緣材料包

覆在金屬奈米粒子表面，再把它沉積在半

導體材料表面上，如此可避免金屬奈米粒

子與半導體材料間的電荷傳導，因此可排

除熱電子注射的貢獻，進而獨立探討電漿

誘導的電場如何影響半導體材料。

若也以大樓用水比喻這個實驗分析方

式，絕緣材料就是在頂樓水塔加上高密封性

的蓋子，雨水因此無法流入水塔中，住戶便

可得知馬達如何把自來水抽至頂樓。此外，

以金屬奈米粒子修飾能隙較大的半導體材料

表面，由於半導體材料只吸收紫外光，而金

屬奈米粒子（例如金）可受可見光激發，因

此以可見光照射沉積金屬奈米粒子的半導體

材料時，可獨立出熱電子注射並觀察其如何

提升光催化水分解效率。就好比大樓正巧遇

到大停電，因而無法使用抽水馬達，住戶只

表面電漿共振提升光催化水分解的機制

金屬奈米粒子

半導體材料

價帶

導帶

電場

熱電子eee

e

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h hh

－

－－

－

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＋＋

＋

＋

＋

11科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

可使用流入頂樓水塔的雨水，因此可清楚了

解雨水對水塔的填充量。

在西元 1972年，本多與藤嶋成功模擬植物行光合作用，首度提出光催化水分解

的概念。它的原理是半導體材料受光激發

產生電子與電洞，電子還原溶液中的質子

產生氫氣，電洞則氧化水分子產生氧氣，

但應用於水分解反應的半導體材料，常面

臨電子與電洞易再結合的缺點。

科學家為改善這窘境，嘗試縮小材料

的顆粒大小、提高結晶度與修飾共催化劑。

此外，大多數材料也有能隙太大而僅可受

紫外光波段激發的缺點，藉由金屬奈米粒

子修飾後，可透過表面電漿共振有效提升

其光催化水分解效率。未來在海邊就可架

設巨型的光電化學轉換分解槽，把海水分

解為氫氣並注入燃料電池產生電力，如此

可取代化石燃料的使用，有效避免其所帶

來的環境浩劫。

大多數材料有能隙太大而僅可受紫外光波段激發的缺點，

藉由金屬奈米粒子修飾後，可透過表面電漿共振有效提升其光催化水分解效率。

陳致融、劉如熹臺灣大學化學系此外，大多數材料也有能隙太大而僅可受

紫外光波段激發的缺點，藉由金屬奈米粒臺灣大學化學系

專題報導

12 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

單元介紹對齊左邊

■ 楊鎧輿、李岱洲、吳錦貞

師法自然界植物行光合作用反應，

光電化學電池結合太陽能與化學反應系統有別於傳統的產氫方法，

是環保綠色的重大突破。

根據經濟部能源局的統計，台灣每人每年消耗近 6,000公斤的煤炭，相當於 4.17公噸的汽油。印度理工大學教授Maheshwar Sharon估計，開發中國家每人每年消耗 150公斤的煤炭，而已開發的國家，每人每年使用的煤炭量達到驚人的 12,000公斤。到了下個世紀，全世界人口使用的總能量可能達到 10 23焦耳，而上世紀人們所消耗的總能量只有 4×10 21焦耳。

根據上述資料，能量消耗速率增加的非常快，以這樣的生活方式使用化石燃料，對於地

球會是相當沉重的負擔。大量使用化石燃料為生活帶來便利的同時，也對環境造成許多負面

的影響，例如溫室氣體排放，異常氣候發生機率提高，臭氧層破壞，酸雨、土壤及地下水汙

染等。因此全球紛紛投入研究使用對環境較友善的可再生能源，像是太陽能、風力、海洋潮

汐能等，以維繫地球的永續發展。

這些可再生能源中又以太陽能最豐富。根據估計，太陽發出的能量約為 3.8×10 26瓦，

扣除在太空中的損失以及進入大氣層的散射，地球表面自然界約可收集到 1.2×10 17瓦。植物

對於太陽能的利用率約只有進入自然界的 1％左右，這有兩個主要的原因。第一是太陽光能無法充分利用，在所有的農作物生長初期因為植株面積的關係，導致光照面積小，因此大部

分的陽光都會損失掉，也因為地形、氣候、海拔高低、陸地面積等許多因素，造成進入地球

的太陽光無法充分利用。第二則是太陽光能達飽和後的逸散，大多數的植物僅能利用太陽光

能量的 30∼ 50 ％，會有 50∼ 70 ％的太陽光能散失。

綠色工廠 ― 薄膜式光反應器

全球紛紛投入研究使用對環境較友善的可再生能源，

像是太陽能、風力、海洋潮汐能等，以維繫地球的永續發展。

13科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

人造光合作用的反應器設計

植物進行光合作用可分為光反應及暗

反應兩種。光反應先利用葉綠體中的色素

吸收光能，把水光解為氧氣與氫離子，並

且把二磷酸腺苷（ADP）轉化為三磷酸腺苷（ATP）。暗反應則利用葉綠體基質進行固碳作用，三碳糖被 ATP及氫離子還原成有機物與糖。在太陽能光化學反應器中，

也有與植物行光合作用類似的反應發生。

在半導體側照射太陽光時，由半導體

產生的光生電子會因為施加偏壓的關係，

經由外電路向白金對電極移動，並經由白

金對電極與電解質進行還原反應產生氫氣。

而留在半導體中的光生電洞則會在半導體

側與電解質進行氧化反應，並且在半導體

電極上產生氧氣。

半導體電極和材料的發展

把太陽能轉換為其他可利用的能源，

近年來吸引了非常多研究人員的關注。1839年，法國科學家 Edmond Becquerel利用電化學系統把光能轉換為電力或化學能。到了

1972年，日本的學者 Honda及 Fujishima發表了著名的研究成果，利用光能經過電化學

系統轉換產生氫氣，也就是現在廣為人知的

光電化學反應器分解水產生氫氣與氧氣，使

得氫循環成為可能。

首先是利用光電化學反應器以陽光使

水分解產生氫氣，把氫氣儲存在儲存槽後

運送到各地的加氫站提供交通工具使用，

最後交通工具借助氫氣燃燒產生的動力移

動，氫氣燃燒產生的水再度回到大自然中，

成為一個完整的氫循環。

關於電極材料的開發，自從 Honda-Fujishima效應發表以來，TiO 2很自然地成為多數研究者關注的目標，因為它的化學穩

全球紛紛投入研究使用對環境較友善的可再生能源，

像是太陽能、風力、海洋潮汐能等，以維繫地球的永續發展。

利用光能經過電化學系統轉換產生氫氣，

也就是以光電化學反應器分解水產生氫氣與氧氣，使得氫循環成為可能。

以 n型半導體為例，照光後產生的電子經由外加電路傳送至對電極，與電解質進行還原反應產生氫

氣，留在半導體上的電洞則與電解質中的電子進行

氧化反應產生氧氣。

太陽能光電化學電池利用陽光分解水產生氫氣後，

把氫氣儲存在儲存槽，然後用管線或槽車運送至不

同地方提供氫能車使用，最後產生的廢棄物就是水。

氙燈 半導體電極

e –

O 2

H 2e –

e –

h＋ 氧化

還原

V

e –

O 2

H 2 O

H 2

氫氣

氫能車

氫氣儲存槽

V

白金

專題報導

14 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

定性高，價格便宜。然而 TiO 2的能隙值較

大，只吸收紫外光，但地球表面紫外光只占

太陽能量的∼ 5％，使得 TiO 2系統在太陽

光照射下光 ─ 化學轉換效率較低，因此科

學家積極尋求解決的方法或開發新材料。

ZnO與 TiO 2有相似的半導體能隙及能

帶位置，不同的是 ZnO屬於直接能隙型半

導體材料，因而吸引不少研究者的投入。能

隙較小的半導體材料像是WO 3與 Fe 2 O 3，

也有穩定性較高、價錢較低等優點。CdS

具有好的太陽光吸收能力及光觸媒活性，

但是光反應的穩定性不佳。Cd又具毒性，

製作 CdS材料時需要特別注意。

由上述幾個代表性的材料特性歸納，

適合做為光電化學反應器的半導體材料應該

具有下列的性質：適當的半導體能隙值以吸

收太陽光、適當的能帶位置以進行氧化 ─ 還

原反應、好的化學穩定性。目前已知適合的

半導體材料很少，需要研究者更加投入，使

用科學與工程的思維，開發新穎光電極材料

與設計高效率的反應器。

不同類型的反應器設計

開始介紹第一種光電化學反應器之前，

先要了解光電化學反應器除了可以產電之

外，也能以化學能的形式儲存能量。第一種

特別的光電反應器便是把化學能的儲存及

太陽能的轉換結合在一起，這種型態的反應

在 pH值是 1時，幾種常見的半導體能帶位置，在圖中導帶以藍色標示，價帶則以紅色表示。

在照光的情況下，光電流經由外電路離開半導

體。同時，一小部分的光電流直接與金屬中

的陽離子反應，並且儲存在半電池元件中。

（ 圖 片 來 源：Semiconductor Electrodes and Phoroelectrochemistry, John Wiley & Sons, 2002）

Vacuum NHE

– 3.0

– 3.5

– 4.0

– 4.5

– 5.0

– 5.5

– 6.0

– 6.5

– 7.0

– 7.5

– 8.0

– 8.5

– 1.5

– 1.0

– 0.5

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0

Ce 3＋∕4＋

Fe 2＋∕3＋

[Fe (CN) 6 ] 2 –∕3 –

H 2∕H 2 O

H 2 O∕H 2

Eu 2＋∕3＋

SiC

3.0 eV

3.2 eV2.6 eV2.1 eV3.2 eV

1.7 eV

2.25 eVEg＝1.4 eV

2.25 eV

TiO 2CdS

CdSe

ZnOCdSCdSe

GaAsGaP

PS

L

CoS

n-Cd (Se,Te)

Polys

ulfi d

ere

duct

ion

Mem

bran

e

Tin sulfi de re

duction

LOAD

0.8 m

CsH

S0.

8 m C

sOS

1.0 m

Cs 2

S 4

1.8 m

CsH

S1.

8 m C

sOS

Sn／

SnS

15科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

器設計能提供穩定且持續的能量輸出，也

在 1987年證實有很好的轉化效率；轉換太

陽能使用 Cd（Se,Te）／ Sx的半電池，另一

半則使用 Sn／ SnS當作儲存系統。

第二種反應器設計是使用不同能隙的

半導體，以堆疊方式建構而成。在陽光光

譜分布中，還是有少部分波長較短（能量

較高）的光，波長較短的太陽光在激發寬

能隙半導體時，會產生較高的光電壓，但

是有較小的光電流。對於窄能隙半導體來

說，大部分的陽光都可以吸收，但是產生

的光電壓較小。

使用多層能隙半導體可以克服上述的問

題，選用吸光性質不同的材料，匹配相對能

帶的位置，便可以建置具有寬廣吸收太陽光

能力的反應器。此外，這種光電化學反應器

可以連結電化學能儲存系統合併使用。

第三種系統則是改良Honda及 Fujishima

設計的光電化學反應器，這種新穎的反應系

統可以利用太陽能把水分解成氫氣與氧氣，

以 n－型半導體做為陽極，產生氧氣；以 p－

型半導體或 Pt做為陰極，產生氫氣。設計

的原理是可以施加偏壓提高載子分離與傳

輸的能力，或利用反應槽陰極及陽極的活

這種雙極性的電池使用晶格常數非

常相近的 AlGaAs 及 Si，能最大限度減低暗電流出現，又因為這種電

池是使用金屬與半導體的複合式電

池，所以提供了歐姆接觸，大大

降低能量傳遞時的損失。（圖片來

源：Semiconductor Electrodes and Photoelectrochemistry, John Wiley & Sons, 2002）

光線照射 TiO 2電極產生的電洞會與水中的電子結合生成氫氣，電子則流向對電極與電解質產生還原

反應。（圖片來源：Int. J. Hydrogen Energy, 15, 407, 1990）

E- bias

e– e–

H 2

Pt

Na 2 SO 4

Cathode Frit

NaOH

n-TiO 2 Anode

hv

O 2

Photo current

Rload(1-1∕

x) e–

Load current

Storage current

1∕xe

–

Au-Zn∕Au

P＋ - GaAs

50 nm300 nm

1.0µm

1.7 nm20 nm

10 nm

1.0µm

350µm800 nm

AR coating [ZnS (50 mm)∕MgF2 (70 nm) ]

P＋ - Al 0.8 Ga 0.2 As (1x1018cm– 3)P＋ - Al (0.3 - 0.15) Ga (0.7-0.85) As (1x1018cm– 3)

N - GaAs 20 nm

GaAs (buffer layer) 10 nm

P＋ - Si (1×1019cm– 3)

N - Si (8×1015cm– 3)N＋ - Si (4×1019cm– 3)

N＋ -Al (0.15) Ga (0.85) As (1x1018cm– 3)

N- Al (0.15) Ga (0.85) As (2x1017cm– 3)

Au-Sb∕Au

Metal hydride anodeMH x-1＋ H 2 O＋ e –→ MHx＋ OH –

Separator with KOH electrolyte

Ni (OH) 2 ＋ OH –→ NiOOH＋ H 2 O＋ e –

Nickel cathode

專題報導

16 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

性物種濃度、酸鹼度調控，以提高反應的

勢能，這些都是增加光 ─ 化學轉換效率的手段。

各國發展現況

美國能源部最新的報告資料指出，光

電化學產氫技術的設定指標，期望到 2018年時，轉化效率可達 12％，壽命可維持5,000小時。國際上積極開發光反應器的有美國NREL、Hawaii Natural Energy Institute、SRI International、日本 Hitachi Lab.、瑞士科技研究院等。其中以美國 NREL開發的光化學反應器是目前效率最高的反應器，所

用的材料是 p－型磷化銦鎵（GaInP2）結合

砷化鎵（GaAs）光電池，日光轉化氫能效率可高達 12.4％，已經達到美國能源部可商業化且具有經濟效益程序的目標，缺點

是壽命仍不足。

台灣在半導體製程、封裝與設計方面

在國際上都有一定的地位，若可以整合研

發的能量，在下一世代的能源系統必能取

得領先的地位。

目前光觸媒水分解製氫氣與氧氣的技

術發展，尚未達可大規模商業驗證的階段，

各個研究機構所開發的光電化學反應器，

仍以實驗室級驗證或示範系統為主。工研院

設計開發的小型光轉化反應器系統，以教育

推廣為首要目標，期望藉由教學示範落實

基礎教育，達到推廣的目的，但仍具有部

分系統驗證的功能。

兩種小型反應器系統分別使用光觸媒

粉體與光觸媒薄膜做為反應的活性物質，

反應系統的部分元件使用較便宜的材質。

反應系統的運作原理，以薄膜式反應器為

例，是產生氫氣後由矽膠管導入氣球以儲

存氫氣，最後把氫氣導入燃料電池汽車的

儲存槽。使用時只需切換開關，就可利用

車內的燃料電池把氫氣轉化成電力後推動

汽車，做為系統功能即時驗證用。

未來希望協助國內產業建構完整氫能

產業，包含光觸媒產氫技術商業化與加氫

站的建置，並結合光觸媒產氫技術與燃料

電池系統，以大幅降低建置成本。此外，

可藉由這項創新技術，達成完整零排放的

氫能經濟藍圖能源結構，以維護我國產業

競爭力與落實節能減碳的理想。

楊鎧輿、李岱洲中央大學化學工程與材料工程學系

吳錦貞工研院綠能與環境研究所

17科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

專題報導

18 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

單元介紹對齊左邊

■ 林欣瑜

利用光能分解水產製氫氣，是一潔淨無汙染的產氫路徑。

目前在分解水產氫氣的光觸媒材料開發上，已經有很多重大的進展，

光催化分解水製氫觸媒的研究，使利用太陽光能分解水產製氫氣成為可能。

隨著現代工業文明的迅速發展，人類對於能源的需求與日俱增。國際能源署 2013年報導的統計資料顯示，世界能源需求從 1971年的 4,674 Mtoe（百萬公噸油當量）增加至 2011年的 8,918 Mtoe。

人類大量使用煤、石油、天然氣等化石燃料以滿足龐大的能源需求，導致二氧化碳排放

量由 1971年的 15,628 Mt（百萬公噸）增加至 2011年的 31,342 Mt。二氧化碳是溫室氣體的主要來源，大量的二氧化碳使全球暖化問題日趨惡化。除了溫室效應外，燃燒化石能源也造

成臭氧層破壞、酸雨等環境汙染問題。

因此各國開始積極尋找替代能源及再生能源，以降低對化石能源的嚴重依賴程度。近年

來，再生能源已逐漸成為一種新能源應用的趨勢，包括太陽能、地熱、風力、水力、潮汐、

生質能、氫能等。氫是一種無色、無味、無臭及無毒的可燃性氣體能源，屬於二次能源，且

在自然界含量豐富，大多與其他元素如氧或碳形成化合物，氫氣能源使用後的最終產物是水。

近年來，普遍認為氫能是減少對石油依賴，降低空氣汙染及溫室氣體排放的潔淨能源中極具

潛力的替代能源。

然而，至今為止 90 ％ 以上的氫氣是水蒸氣與碳氫化合物如天然氣、甲醇、乙醇等以蒸氣重組反應合成製造的，在這種傳統的製氫過程中仍然會排放二氧化碳。電解水製造氫氣是

一種簡單的製氫技術，在電解水產氫過程中，在陰極的水分子被電解還原得到氫氣，陽極的

水則被電解氧化得到氧氣，不會產生二氧化碳，然而由於電的消耗量高，目前約僅 5％的氫氣是以電解水產氫製程生產的。

氫新光綠能 ― 水分解光觸媒技術

近年來，普遍認為氫能是減少對石油依賴，

降低空氣汙染及溫室氣體排放的潔淨能源中極具潛力的替代能源。

19科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

在大自然環境中，太陽光是一種取之不

盡且容易獲得的乾淨能源，發展有效利用太

陽光能源的科學與技術，已成為目前再生能

源運用上的一個大方向。近年來，利用太陽

光能進行光催化反應分解水產生氫氣，已成

為發展永續氫能源的重要課題。

最早在 1972年東京大學本多健一教授的博士班學生藤嶋昭發現「本多 ─ 藤嶋」效應（Honda ─ Fujishima effect），開啟了光催化水分解反應的先河，具有半導體性

質的 TiO 2電極在紫外光源照射下，可以分解水進行氧化與還原反應釋放氫氣。從此，

在適當的催化劑下利用光能把水分解為氫

氣與氧氣的反應，引發研究氫能源科學家

的重視，並且積極研究開發可以更有效率

地把水分解產生氫氣的光觸媒材料。

光催化水分解產氫的基本原理

一般而言，可以把觸媒定義為：對於

一個在熱力學上允許的化學反應，在反應

系統內加入少量的物質，這些加入反應系

統的觸媒表面原子構造能形成催化活性中

心，使反應物分子活化而降低化學反應所

需的活化能，加速反應進行。並且，當反

應結束時，觸媒並不會消耗。

簡單地說，觸媒的作用就像媒人，把原

來生疏的雙方（反應物）湊做堆，拉近雙方

的距離產生愛的結晶（產物），然後就功成

身退再繼續媒合下一對（在化學反應中觸媒

不會消耗）。光催化反應與傳統由環境供給

熱能來活化的催化反應不同的地方是：光催

化反應是發生在光照射的觸媒表面上的化學

反應，光觸媒的分子吸收一定波長的光，使

其電子組態由原來的基態躍遷至激發態，而

促使光觸媒表面上的反應物反應。

半導體是指導電率介於導體和非導體

之間的物質，常見的無機物半導體包含元

素半導體，如矽、鍺等，以及化合物半導

體，如砷化鎵、氮化鎵、硫化鎘、硫化鋅等。

做為光催化反應的半導體光觸媒，大多是

金屬氧化物和硫化物。

半導體光催化反應的反應機制是：光

觸媒在光的照射下，若入射光的能量大於

光觸媒的能隙，光子會有足夠的能量激發

半導體中的電子，使電子由價帶躍遷到導

全球能源需求成長趨勢（圖片來源：2013 Key World Energy Statistics, IEA）

全球二氧化碳排放成長趨勢（圖片來源：2013 Key World Energy Statistics, IEA）

發展有效利用太陽光能源的科學與技術，已成為目前再生能源運用上的一個大方向。

1971 ～ 2011 年各種能源的世界消耗量（百萬公噸油當量）

10,000

8,000

6,000

4,000

2,000

01971 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

煤∕泥煤 油 天然氣

生質燃料與廢棄物 電 其他

1971 ～ 2011 年各種能源的世界 CO 2 排放量（百萬公噸 CO 2）

35,000

30,000

25,000

20,000

15,000

10,000

1971 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2011

煤∕泥煤 油 天然氣 其他

5,0000

2011

專題報導

20 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

電帶成為自由電子，在價帶則留下電洞；

這些光激發產生的電子有很高的還原能力，

而電洞有氧化能力，可以跟吸附在光觸媒

表面上的反應物進行光催化反應。

光催化分解水的反應機制則是：當光

子照射到半導體光觸媒時，其能量使光觸

媒的價帶電子激發至導帶，並在價帶形成

電洞，其中導帶上的光激發電子與水分子

進行還原反應產生氫氣，價帶上的電洞則

與水分子進行氧化反應。半導體光觸媒材

料的導帶邊緣必須比 H＋／H 2還原能階負，導帶上的光電子才具備使水還原成氫氣的

能力。另一方面，由於水分解反應的氧化

還原電位差是 1.23 eV，因此光觸媒價帶能階必須正於 O 2／H 2O的氧化能階，才可能使水氧化成氧氣。

然而並不是光觸媒材料的能帶結構符

合上述的條件，就能夠有效地催化水分解反

應。其他如光激發電子 ─ 電洞對是否能有

效分離避免再結合，避免觸媒表面的氫氣與

氧氣產物逆反應生成水分子等，都是影響光

觸媒催化活性的重要因素。如最廣為人知的

二氧化鈦光觸媒，雖然在光催化分解汙染物

反應中有很好的活性，在光催化分解水的反

應活性卻很低。近年來科學家研究了許多半

導體化合物的光催化水分解活性，發現具有

光觸媒光激發反應機制

近年來科學家研究了許多半導體化合物的光催化水分解活性，發現具 d 0及 d10軌域的金屬離子的金屬氧化物

都是具光催化水分解活性的觸媒。（圖片來源：Maeda and Domen, J. Phys. Chem. C., 111, 7851, 2007）

光源

電位（對標準氫電極電位）

能隙（Band gap）

導帶（CB）

價帶（VB）

e−

h＋

H＋∕H 20 V

O 2／H 2 O＋ 1.23 V＋

－

d0- group d10- group

21科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

d 0及 d 10軌域的金屬離子的金屬氧化物都是

具光催化水分解活性的觸媒。

目前大多數光催化水分解反應的研究，

是使光觸媒懸浮在水溶液中，再以光源照射

反應器，觀察氫氣與氧氣的產量。然而，反

應器的設計及觸媒的光學特性，測試反應的

觸媒量，以及光照的方向和強度都會影響氫

氣及氧氣的產量，這樣複雜的情況使得在準

確評估光觸媒的效能上遇到相當大的困難。

有一些研究者提出以表觀光量子效率

（apparent quantum yield, AQY）來評估光觸媒的活性，AQY是表示光觸媒把光能轉成化學能（氫氣或氧氣）的效率，一般把

它定義為光催化反應所產生的氫氣或氧氣

量／入射光子數目×100 ％。

水分解光觸媒的進展

早在 1989年，東京大學的研究團隊發現把奈米鎳添加至具層狀結構的鈮酸鉀

（K 4 Nb 6O 17）光觸媒中，K 4 Nb 6O 17照光產

生的光電子會傳送到鎳顆粒上把水還原成

氫氣，在 [Nb 6O 17] 4 –的電洞則能把水氧化

為氧氣。在這個特殊的結構中，把氫氣與

氧氣產生的位置分開，除了降低電子 ─ 電洞對再結合的機率外，也減低所產生的氫

氣與氧氣逆反應產生水的機率，因而得到

相當高的 AQY（∼ 20％）。研究也發現層狀結構的 A m B m O3 m＋2

（m＝ 4, 5；A＝ Ca, Sr, La; B＝ Nb, Ti）光觸媒在紫外光（光波長＜ 320 nm）照射下，AQY最高可達 23％。此外，東京理科大學工藤昭彥教授的研究發現把 NiO含浸在摻雜 La元素的 NaTaO 3光觸媒上，NiO在 La : NaTaO 3觸媒顆粒的表面奈米台階上形成高度分散的奈米微粒，這些 NiO超微

粒子可使光催化水分解反應的氫氣產率提

高 10倍。在紫外光（波長 270 nm）照射下，光催化水分解的量子效率 AQY達到56 ％，可說是目前文獻上活性最高的光催化水分解觸媒。

雖然近二十年來科學家在紫外光催化

水分解反應的光觸媒研究上取得了很大的

進展，在具可見光催化活性的水分解光觸

Ni／K 4 Nb 6 O17 結構及其光催化水分解反應機構

示 意 圖。（ 圖 片 來 源：Maeda, J. Photochem. Photobiol. C., 12, 237, 2011）

NiO／NaTaO3 : La的電子顯微鏡影像及光催化水分解反應情形。（圖片來源：Kudo and Miseki, Chem. Soc. Rev., 38, 253, 2009）

Nb 6O 174 − polyanion layer

І

І

Ⅱ

Ⅱ

Ni

Ni Ni

Nie−

e− e−

e−

e−

e−

e−

e−

h+

h+h+h+

h+

h+

h+

h+

h+

O2

O2

H2O

H2O

H2OH2

hν

hν

NaTaO3:La 顆粒

光源 200 W Xe-Hg燈

專題報導

22 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

媒的研究上則仍在起始階段，文獻上所報

導具可見光催化活性的光觸媒效能都還相

當低。在太陽光譜中只有約 5％的紫外光，如果要利用太陽光能進行光催化水分解產

氫反應，開發具可見光催化活性的水分解

光觸媒是必須解決的難題。

在可見光催化水分解光觸媒的開發上，

所面臨的三大挑戰是：光觸媒的能帶結構

必須適合光催化水分解反應、光觸媒的能

隙必須小於 3 eV、光觸媒在反應中必須能穩定地長時間操作。研究發現把異質元素

摻雜入半導體光觸媒材料內，可以改變光

觸媒的能帶結構，便有機會合成出低能隙

的光觸媒。

然而，摻雜異質元素容易扭曲光觸媒的

結晶結構，而不容易得到穩定且結晶度佳的

觸媒。其中，Rh摻雜的 SrTiO 3光觸媒是目前研究報導中有最高可見光催化水分解活性

的陽離子摻雜光觸媒，甲醇水溶液在 420 nm的可見光照射下可以達到 5.2 ％ AQY。

近年來日本的研究學者提出了一種加

入產氫光觸媒及產氧光觸媒的雙光觸媒光

催化水分解系統，這系統中產氫及產氧光

觸媒的能帶位置分別滿足水還原及氧化反

應所需的電位，在光觸媒的選擇上更具彈

性。東京大學堂免一成教授的研究發現，

以 Pt／ZrO 2／TaON為產氫觸媒，Pt／WO 3為產氧觸媒，在 NaI水溶液中反應，最高的可見光催化水分解反應的 AQY可達6.3 ％。在研究中反應測試了 10個小時，光觸媒的活性都非常穩定。

利用光能分解水產製氫氣是一潔淨無

汙染的產氫路徑，目前在水分解產氫氣的光

觸媒材料開發上，已經有很多重大的進展，

可見光催化水分解製氫觸媒的研究使利用太

陽光能分解水產製氫氣成為可能。

要利用太陽光能進行光催化水分解產氫反應，

開發具可見光催化活性的水分解光觸媒是必須解決的難題。

光催化水分解產氫工廠示意圖

（圖片來源：Maeda and Domen, J. Phys. Chem. Letters, 1, 2655, 2010）

一天照射 7.6個小時 AM1.5 G的標準陽光　太陽能 27 TJ∕km 2 day　

太陽光能製氫廠

轉換效率 10 ％

25 km 2（5 km × 5 km）

氫氣 570公噸∕天

水 5,100 公噸∕天

化學工廠

氧氣

化學品（如甲醇）

Chemicals

23科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

東京大學堂免一成教授曾提出未來太

陽能產氫廠的構想圖，至西元 2050年，假設一個 25平方公里的太陽光能產氫廠能源效率是 10 ％，工廠每天照射 7.6小時的標準陽光，則一天可產出 570公噸的氫氣。那麼大約 1萬個 25公里平方的這樣太陽能產氫廠所產出的能源，便能提供人類社會

三分之一的能源需求，其總面積約占全球

沙漠面積的 1 ％。利用太陽光能產氫，還有許多需要克

服的難題，除了光觸媒材料的研發外，產

出的氫氣和氧氣要如何分離，也是非常重

要的技術關鍵。展望未來，如能開發出實

用化的光催化水分解產氫製程，這項技術

可望成為永續生產氫能源的最佳選擇方案。

林欣瑜東華大學材料科學與工程學系

出的氫氣和氧氣要如何分離，也是非常重

專題報導

24 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

單元介紹對齊左邊

■ 林彥谷

倘若有一種神奇的催化劑，能夠只依靠太陽光完全分解水，

生成氫氣和氧氣，人類也許就可以永遠擺脫能源危機的陰影。

近年來，由於化石能源所造成的嚴重環境、氣候變遷等問題，尋求零汙染的替代性再生

能源成為當務之急。太陽能對人類來說是永續不竭的，太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相

當於 500萬公噸煤，遠遠超過地球上一天所使用的能量。因此，太陽能是非常有發展潛力的永續潔淨能源之一。經由能源轉換，更可把太陽能轉變成電能或潔淨的氫能源。

早在人類重視太陽能的發展以前，大自然就已經充分地善用太陽能了，綠色植物行光合

作用就是代表性的例子。在自然界的光合過程中，植物扮演媒介的角色，把二氧化碳與水轉

化為葡萄糖及氧氣。

很久以來，藉由取之不盡的太陽光分解水，為人類提供潔淨的氫燃料，一直被視為化學

界的聖杯。太陽光分解水的反應也稱為人工光合作用，主要原理是仿效綠色植物，透過光觸

媒把水分解為氫氣和氧氣。氫氣除了可當燃料使用外，也可與燃料電池結合，不少研究機構

已預測燃料電池近幾年內有機會商品化。為了降低對有限化石燃料的依賴，再生能源製氫技

術已成為未來替代能源發展研究的重點，環保無汙染且可再生的氫能源社會不再只是夢想。

光觸媒是什麼碗糕

「觸媒」就是催化劑，光觸媒顧名思義就是在光的照射下，可以驅動化學催化反應的觸

媒。如果沒有光線照射或光線不夠，光觸媒就無法發揮正常的催化作用，也就是說在黑暗中，

光觸媒是無用武之地的。目前市面上常見的光觸媒材料以二氧化鈦光觸媒為主，它必須在紫

外光照射下才能產生催化作用。

奈米結構捕捉太陽光分解水製氫

在自然界的光合過程中，植物扮演媒介的角色，把二氧化碳與水轉化為葡萄糖及氧氣。

25科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

以光觸媒進行光催化反應製造氫氣，

肇始於 1970年代。日本東京大學的本多教

授帶領的研究團隊偶然間發現，在紫外光

的照射下，二氧化鈦觸媒竟然能分解水產

生氫氣與氧氣，從此開啟了光電化學分解

水產生氫氣的研究大門。後來，隨著全球

環保意識逐漸高漲，光觸媒的研究在全世

界掀起一陣熱潮。

光觸媒大多屬於半導體材料，但並不是

所有的半導體材料都可做為光觸媒，最大的

挑戰在於價電子帶與傳導帶間的能階差必須

與入射光的光譜配合，才能吸收光能、產生

電子電洞對。同時必須和化學反應的電位相

符，才能驅動氧化還原反應，以分解水分子

產生氫氣與氧氣。因此，光觸媒材料的開發

與合成是研究發展成功與否的關鍵。

在發展初期，由於光觸媒電解水產生

氫氣的效率偏低，距離實用商業化似乎遙

不可及！但是在 80年代後期，隨著奈米技

術的蓬勃發展，光觸媒奈米材料出現許多

重大突破，利用太陽能製造氫氣的研究開

始備受矚目，並公認是實際可行且有發展

潛力的明日之星。

有如變形金剛的奈米家族

奈米材料在結構上可分為三種形式：

顆粒狀（零維奈米材料）、柱狀或線狀（一

維奈米材料）、層狀（二維奈米材料）。奈

米結構因有獨特的光、電及物理與化學性

質，而引起科學家的高度重視。奈米材料

獨特的性質主要源於尺寸大小與形狀差異，

因此如何控制並製備多形態的奈米材料，

一直是首要的研究課題。

不過，由單一成分所構成的奈米材料，

儘管性質可藉由尺度與結構的變化加以調

整，但應用仍受限於固有的性質。因此，

有必要結合其他材料進行表面或內部成分

的調整，才能滿足各式各樣新穎及延伸的

應用。複合奈米材料就是把兩種或兩種以

上的物質結合在單一系統中，除了可把多

種功能結合在一起外，也可能產生新的特

性。以下就藉由一些實例的說明，來感受

複合奈米結構的趣味性與價值性。

身懷絕技的包心粉圓

金屬銀是亮白色的貴重金屬，經過奈

米化後，由於「表面電漿共振」的效應，

在自然界的光合過程中，植物扮演媒介的角色，把二氧化碳與水轉化為葡萄糖及氧氣。

太陽光分解水的反應也稱為人工光合作用，

主要原理是仿效綠色植物，透過光觸媒把水分解為氫氣和氧氣。

不同維度下的奈米材料形貌

奈米顆粒（零維） 　柱狀（一維） 　片狀（二維）

專題報導

26 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

金屬銀會變成棕褐色，其吸收光譜的特徵

峰主要落在波長 410奈米左右。由於太陽光的組成中可見光波段約占 45 ％，因此發展能在可見光波長間進行光催化反應的觸

媒材料，是迫切必要的研究方向。

傳統單一金屬粒子只能提供一個狹窄

的特徵吸收峰，目前也沒有特徵吸收峰能

夠涵蓋波長 400至 600奈米之間的單一成分奈米金屬粒子。然而，若把一層奈米級

的介電材料覆蓋在奈米粒子的表面上，藉

著周圍環境中化學組成的改變，就可以調

控複合奈米粒子的吸光波段，滿足不同吸

收波段的需求。

最近，科學家已經成功地開發出新型

的銀／磷酸銀的核殼型複合奈米粒子。在

奈米銀粒子表面被覆一層約 2奈米左右的磷酸銀奈米殼層，猶如包心粉圓一般，就

可延展吸收可見光的波長範圍，從原本的

410奈米左右提升至 580奈米左右的波段，使得這觸媒有很高的光觸媒活性。此外，

這種雙層複合式的奈米異質結構能誘使電

磁場在金屬銀表面增強，增加光電子電洞

對的數量，因而促進光催化反應的效率。

太陽光被奈米瑕疵品欺騙了

在人類社會中，追求完美是許多成功

人物的共通點，但在奈米的世界裡，瑕疵

品卻常有意想不到的價值與應用。

現今眾多的奈米光觸媒研究中，多以

寬能隙的金屬氧化物為主，如二氧化鈦或

氧化鋅。但這些寬能隙的金屬氧化物只能

吸收波長小於 400奈米的紫外光波段，而在整個太陽光中，紫外光僅占不到 5 ％，導

致這些金屬氧化物對於太陽光整體光譜的

吸收利用率明顯不足。為了改善其吸收能

量的不足，目前已有許多研究成功地利用

摻混不同的金屬或非金屬元素在這些寬能

隙的金屬氧化物中，改變其能隙結構與氧

化電位，使吸收波長延伸至可見光，擴大

光觸媒的應用範圍。

以寬能隙的氧化鋅為例，最常見的瑕

疵就是摻雜氮原子或碳原子進入氧化鋅的

晶格中，這會讓氧化鋅從純潔的白色變成

暗黃色。這些不速之客常搶占鋅原子原本

的位置，放出一個額外的電子以降低其氧

化電位，並使材料整體的能隙降低，而往

長波長的可見光波段位移，反而改善氧化

鋅對太陽光的有效吸收能力。另外，也可

以在寬能隙的二氧化鈦表面上適當地摻雜

一些金屬離子，雖然會破壞整個完美無缺

的晶格，卻能提高整體光催化反應的效能。

這確實夠怪了，完美無瑕在這裡行不通，

就是需要瑕疵品。

奈米科技時代的來臨，

為地球能源日漸枯竭的今日，提供了有效利用太陽能的新契機。

像包心粉圓般的核殼型複合奈米粒子

磷酸銀

銀

27科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

會吞太陽光的奈米孔洞

生物界中某些蝴蝶能擁有耀眼的色彩，

其實是大自然的奈米傑作，在蝴蝶的翅膀鱗

片上可發現有如光子晶體一般的顯微結構。

光子晶體並非某樣物質的名字，而是指物質

呈特殊的周期性排列，這樣的排列有一個特

色，就是可以反射特定波長的可見光。簡單

來講，把圓形的小球利用最密堆積的方式排

列，這樣的結構就是光子晶體的一種。這時

若像鑄模板灌水泥一樣，把球與球之間的空

隙用其他物質填滿後再除去圓形的小球，便

能得到空孔彼此相連的三維有序結構，也就

是所謂的「反蛋白石」結構。

特定頻率的光一旦進入這種三維都存

在的周期性結構，將無法在任一方向傳播，

這是捕獲大量太陽能的最大關鍵。尤其，藉

由控制材料的折射率或組成結構的周期距

離，就可操控這個結構對特定波長光的吸收

效應。甚至可以局限光的傳播，使其沿著波

導內預先決定好的路徑傳遞。感覺就像捕捉

太陽光替人類工作一樣，十分有趣。

近期，科學家已經成功地運用氧化鋅

的反蛋白石結構，來收集太陽能量把水轉

變成氫燃料。當太陽光進入反蛋白石結構

的空間後，就像被黑洞吸住一般，不容易

繼續向外傳播。這時具有高表面積且多孔

洞性結構的氧化鋅，便可增加與太陽光接

觸的面積，造成太陽光和氧化鋅之間強烈

的交互作用，進而提升光催化反應的效率

與穩定性。另外，經由調控反蛋白石複合

結構的孔洞大小，來控制其對太陽光交互

作用的能力，更能提升光電化學反應分解

水產生氫氣的效能。

也許近期內石油、天然氣等傳統化石

能源不會耗盡，但化石燃料的消耗對地球環

境的影響非常巨大。持續排放溫室氣體會造

成嚴重的溫室效應，使地球表面溫度逐漸升

高，促成不尋常的極端氣候變遷，同時兩極

冰山的融化會造成海平面上升及陸地面積減

少。誠如聯合國「氣候變遷專門委員會」所

呼籲的，未來 10年是我們的機會，但至多只有 20年。在這樣的趨勢下，替代性潔淨氫能源可望提供人類另一個希望，同時讓我

們留給子孫地球原來的面貌。

林彥谷國家同步輻射研究中心

孔洞彼此相連的周期性排列，猶如蜂窩一般。

利用奈米等級的球狀顆粒以六方最密堆積方式堆成

的構造，這時球與球彼此最靠近，因此整體的位能

最低。

專題報導

28 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

單元介紹對齊左邊

■ 吳季珍

光觸媒吸收太陽光後，產生光電子與光電洞，以與待分解物進行化學反應。

科學家如何幫助帶負電荷的電子與帶正電荷的電洞擺脫庫倫作用力，

降低兩者再結合的機率，來增加光觸媒的效能呢？

太陽能是再生能源中最豐沛的，科學家

除了致力於研發高效能太陽能電池，把太陽

光能直接轉換為電能外，也以太陽能結合地

球另一豐富的資源 ─ 水，來生產最簡單的化學燃料 ─ 氫氣。太陽能因此可以轉換成化學鍵能加以儲存，以提供更多元型態的能源。

太陽能也運用於有機汙染物的分解，以再生

能源直接解決環境汙染的問題。這些利用太

陽光提供破壞化學鍵結所需能量的方式，都

需要以適當的半導體材料為媒介，才得以有

效地進行。

當太陽光照射在半導體材料上時，半

導體材料藉由吸收能量大於其能隙的適當

波長的光子，原來位於價帶的電子可躍遷

至導帶，同時在導帶與價帶處分別產生電子與電洞，太陽光能因此轉換為光電子與光電洞的

電位能。由於帶負電荷的電子與帶正電荷的電洞之間有庫倫作用力，光電子與光電洞對可在

很短時間內再結合放出光或熱。

擺脫庫倫作用力的光觸媒

利用太陽光提供破壞化學鍵結所需的能量，需要以適當的半導體材料為媒介才能有效地進行。

光觸媒的工作機制：（i）吸收太陽光產生光電子與光電洞對、（ii）光電子與光電洞分離並遷移至光觸媒表面、（iii）電洞與電子在光觸媒表面上參與氧化還原反應。

氧化反應

導帶

再結合

價帶

還原反應

i

ii

ii

　 iii

　 iii

＋

－ －

＋

29科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

在發生電子與電洞再結合之前，這光

電子與光電洞對若能有效地克服庫倫作用

力，各自遷移至半導體材料表面，有機會

以其具有的電位能參與發生在半導體與待

分解物的界面，符合電荷轉移能量趨勢的

氧化還原化學反應，達成分解水產氫氧或

分解有機汙染物的使命。由於在進行光電

化學反應後，半導體材料並未改變其狀態，

因此稱為光觸媒。

光觸媒的效能由 3個主要因素決定：

光觸媒吸收光子產生光電子與光電洞的能

力；光電子與光電洞在光觸媒中擺脫庫倫

作用力，有效分離並遷移至半導體材料表

面的能力；光載子（電子與電洞）在光觸

媒表面進行電荷轉移的能力。

其中，光觸媒吸收太陽光以產生光電

子和光電洞的能力，與光觸媒半導體材料

的能隙、吸光係數等光學特性有關。而光

載子在光觸媒表面進行電荷轉移的能力，

則受限於化學反應的氧化還原電位，以及

光觸媒價帶上緣能階位置和導帶下緣能階

位置的相對關係。因此，科學家一方面致

力於發展具適當能隙以及導帶和價帶能階

位置的光觸媒半導體材料，來提升光觸媒

分解水或分解有機汙染物的效能；另一方

面，專注於研究如何以不同的形貌、架構

與組合方式的光觸媒半導體材料，來提升

光載子在光觸媒內的分離效率。

目前，光觸媒以兩種方式應用在太陽

能分解水或分解有機汙染物上，一是懸浮利用太陽光提供破壞化學鍵結所需的能量，需要以適當的半導體材料為媒介才能有效地進行。

n型半導體與電解液在接觸達平衡後，可在界面間建立 ─ 空間電荷層，並具有內建電場，因此造成能帶的彎曲。這內建電場有助於光照下產生的光電子與光電洞對的分離。

摻雜原子

導帶　

導帶　 導帶　

費米能階

費米能階氧化還原電位 氧化還原電位

價帶

價帶 價帶n形半導體 電解液 電解液 電解液

接觸前

E電場

摻雜離子

　空間電荷層

　接觸達平衡後

電子

電場

電洞

光照下

專題報導

30 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

式光觸媒，另一是固定（電極）式光觸媒。

本文以 n型半導體的固定式光觸媒為例，

介紹科學家以何種方式使光觸媒內產生的

光電子與光電洞對有效地擺脫庫倫作用力，

以提升光觸媒反應的光電化學轉換效率。

n型半導體的主要載子是位在導帶能階

上的電子，而這些電子是由半導體材料中

的摻雜原子鍵結後所提供。半導體的費米

能階位置反應其載子濃度的高低，較接近

導帶下緣的有較高的電子濃度。n型半導體

的費米能階若較待分解物的氧化還原電位

高，當兩者接觸達平衡且在未照光的狀態

下，n型半導體在接面處會發展出一寬度為

W的空間電荷層。在這空間電荷層中，由

於內建電場的存在，能帶因此彎曲。

不同的半導體材料對特定波長的光子

有各自的光穿透深度（Lα）。而電子與電洞

的擴散長度，也就是發生再結合前可遷移的

距離，也因半導體材料而異。當 n型半導體

光觸媒吸收了太陽光中能量大於其能隙的光

子後，前述的平衡狀態因此被破壞。由於內

光照下的 n型半導體光觸媒，在 L α深度內可產生光電子與光電洞對。距界面（W＋ L D）深度內的光電洞可以安全地抵達光觸媒表面，而在 L α與（W＋ L D）之間產生的電子與電洞，由於無法有效擺脫庫倫作用力，會因結合而損耗。

光觸媒薄膜的光穿透路徑與光電洞傳輸路徑在同一維度下，因此距表面大於（W＋ L D）的深度內產生的光電洞，無法有效地傳輸至光觸媒表面。利用一維奈米結構陣列光觸媒的高深寬比特徵，可使光穿透吸收路徑

與光電洞傳輸路徑分開於不同的維度，L α深度內產生的光電洞可有效地側向傳輸至奈米結構光觸媒表面，光觸媒效能因此提升。

光穿透深度

Lα

LD

電洞擴散長度

空間電荷層

W

電場

n型半導體光觸媒

再結合

　電解液

LαL α

電解液 電解液

電解液

電子

電

洞

光觸媒薄膜一維奈米結構陣列光觸媒

E

E E

＞ (W＋ L D)

≤ 2 (W＋ LD)

31科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

建電場的存在，在空間電荷局限層內產生的

光電子與光電洞可克服庫倫作用力，被加速

分別往光觸媒內部與表面移動。

此外，當空間電荷層外相鄰的電洞擴

散長度（L D）內產生的光電洞，擴散至空間電荷局限層內時，也可被內建電場驅使，

而加速移動至光觸媒表面。因此，距界面

（W＋ L D）深度內的光電洞在電場加速下傳輸至表面所需的時間，較其生命周期（光

載子生成至發生再結合的時間）短時，光

電洞就可以安全地抵達光觸媒表面。

一般而言，半導體材料的光穿透深度

遠大於電洞擴散長度。為達到光觸媒最大

的光捕捉能力，固定式光觸媒薄膜厚度應

與光穿透深度相近。然而，在光穿透深度

內產生的光電洞，僅在距界面（W＋ L D）深度內的有較大的機會傳輸至光觸媒表面，

以進行化學反應。科學家因此採用下列方

式增進光電子與光電洞的分離，以及光載

子遷移至半導體材料表面的效能。

改變光觸媒形貌

在距表面大於（W＋ L D）的深度內產生的光電洞，並無法有效地傳輸至光觸媒表

面進行化學反應，因為光穿透路徑與光電洞

傳輸路徑在同一維度下。為使在光穿透深度

內的光載子都能有效地傳遞至表面，科學家

以一維奈米結構取代薄膜型態的光觸媒。由

於一維奈米結構具高深寬比（長度與直徑的

比值大）的型態特徵，且電解液可滲透進入

一維奈米結構陣列間，使得這型態的光觸媒

與電解液界面的面積較薄膜型光觸媒的大。

另外，光觸媒與電解液界面的空間電荷

層中的內建電場方向，與一維奈米結構的長

軸方向垂直。若讓太陽光入射方向與奈米結

構長軸平行，可成功地把光穿透吸收路徑與

光電洞傳輸路徑分開於不同的維度。

藉由設計與製備長度和直徑分別是 Lα和 2（W＋ L D）的高方向性一維奈米結構陣列的半導體，在太陽光照射下，半導體

光觸媒除達到最大的光捕獲效率外，產生

於這光觸媒中的光載子在垂直於長軸方向

的空間電荷局限層中內建電場的驅動下，

可以有效地傳輸至光觸媒與電解液的界面，

以利後續化學反應的進行。光觸媒的效能

可因此顯著提升。

以金屬奈米粒子修飾光觸媒表面

為提升光觸媒效能，科學家的另一策

略是使光載子能更有效地擺脫庫倫作用力，

以降低再結合發生的機率，使電洞擴散長

度 L D增加。由於再結合的發生需要成對

n型半導體與費米能階高的金屬達平衡時，可形成歐姆接面。光照下，這歐姆接面會促使 n型半導體導帶的光電子擺脫庫倫作用力，快速地移動至金屬奈米粒子中。

接觸前

導帶

費米能階

價帶

n型半導體 n型半導體 n型半導體金屬 金屬 金屬

達平衡 光照下

費米能階

專題報導

32 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

的電子與電洞，以 n 型半導體光觸媒為

例，可行的做法之一是降低導帶中的光電

子濃度。

科學家的做法是選擇適當的金屬奈米

粒子沉積在光觸媒表面上，使得導帶中的光

電子可快速轉移至位在光觸媒表面上的金屬

奈米粒子中。由於光電子在界面附近的數目

減少，因此可有效降低光電洞與光電子的再

結合，拓展電洞擴散長度，使光電洞的生命

周期延長，而得以安全到達光觸媒表面。

利用連續式接面光觸媒，可使更多的光電子與光電洞對在內建電場驅動下，

擺脫庫倫作用力而有效地分離，進而成功地增進光觸媒的效能。

以金屬奈米粒子部分修飾 n型半導體光觸媒表面，可因金屬奈米粒子與半導體之間歐姆接面的形成，

使光電子在界面附近的數目減少，而有效降低光電

洞與光電子的再結合。電洞擴散長度因而拓展，更

多光電洞有機會傳輸至光觸媒表面參與化學反應。

要達成這項任務的金屬奈米粒子，必

須與半導體形成歐姆接面。科學家選擇費

米能階比 n型半導體高的金屬，沉積在其表面上，使系統達平衡時可形成歐姆接面。

而當太陽光照射在這光觸媒上時，歐姆接

面會有利於 n型半導體導帶的光電子擺脫庫倫作用力，快速地移動至金屬奈米粒子

中。光電洞因與光電子再結合的機率降低，

電洞生命周期得以延長，使電洞擴散長度

L D增加，更多光電洞有機會傳輸至光觸媒表面參與化學反應。

然而，金屬奈米粒子的覆蓋率不能太

高，除了會影響半導體光觸媒的光捕獲效

率外，也會阻礙在 n型半導體光觸媒中扮

演化學反應主要角色的光電洞轉移至電解

液的途徑。因此金屬奈米粒子在 n型半導

體光觸媒表面上的覆蓋率，對能否有效提

升光觸媒效能有決定性的影響。

形成半導體接面

空間電荷層有內建電場的存在，可促

使距界面（W＋ L D）深度內產生的光電子與光電洞對各自往相反方向加速而有效地分

離。若能拓寬空間電荷層的尺度，使其與這

半導體材料的光穿透深度（Lα）相近，在

光穿透深度內產生的光載子對就能在內建電

場的驅動下，擺脫庫倫作用力而有效地分離。

如此會有更多的自由光載子到達光觸媒與電

解液的接面處，以參與後續的化學反應。

科學家以形成半導體接面的方法來拓

寬空間電荷層的尺度。藉由製備同質 p-n接

面或同質 n＋ – n接面的光觸媒，延展表面

n型半導體光觸媒

電解液

電解液

金屬奈米粒子

金屬

電子　

n型半導體 電洞

33科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

能帶的彎曲與內建電場存在的深度，以增

進光載子對在光觸媒中的分離效率。

半導體材料的費米能階位置因主要載

子濃度而改變，而半導體材料的主要載子

濃度是藉由材料中摻雜原子濃度的改變來

調節。把具不同費米能階位置的半導體連

接後，因載子濃度差異在界面形成載子擴

散，繼而形成內建電場，致使最後系統達

平衡。而半導體接面形成空間電荷局限層

與能帶彎曲的機制，與前述半導體與電解

液接面形成的機制非常類似。

以現今材料成長的技術，科學家可以

製備具連續梯度摻雜的連續式接面半導體

材料。利用這摻雜原子濃度連續梯度在半

導體材料中的延伸，可成功擴展半導體能

帶結構的彎曲與空間電荷層的深度，使它

與光穿透深度相近。因此，利用連續式接

面光觸媒，可使更多的光電子與光電洞對

在內建電場驅動下，擺脫庫倫作用力而有

效地分離，進而成功地增進光觸媒的效能。

科學家分別藉由擴展半導體光觸媒的

空間電荷層寬度與載子擴散長度，以及使光

穿透吸收路徑與光電洞傳輸路徑分開於不同

的維度等方法，成功地改善光觸媒的光載子

分離與傳輸至表面的效率。當然，適當整合

上述方法，可更進一步提升光載子分離與傳

輸的效率。光觸媒分解水產氫與分解汙染物

的效能，可因此獲得顯著的增益。

吳季珍成功大學化學工程學系

利用在半導體材料中摻雜原子濃度的連續梯度，製備的連續式接面半導體材料，可擴展半導體空間電荷層的

深度，使它與光穿透深度相近，以使更多的光電子與光電洞對在內建電場驅動下，擺脫庫倫作用力而有效地

分離，進而成功地增進光觸媒的效能。

電解液電解液

n+-n型半導體光觸媒

Lα

LαW

摻雜原子濃度增加

摻雜原子濃度增加

導帶

費米能階

電場

價帶

專題報導

34 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

單元介紹對齊左邊

■ 林家裕

二氧化碳是造成地球暖化的元凶之一，除了節約能源減少二氧化碳的排放外，

是否有方法可再利用二氧化碳，把它轉化為另一種有用的化學物質？

目前人類活動所仰賴的能量來源主要是化石燃料（約占 80％），而大量使用化石燃料的後果，是造成大氣中二氧化碳濃度急遽升高，而引發一連串對環境的負面影響。面對全球人口的

急速增加與對高生活水準的追求，未來對能源的需求必然與日俱增，若對化石燃料的依賴沒有

改變，則二氧化碳的排放量必然持續增加。對於降低二氧化碳的排放，除了節約能源與提高能

源使用效率外，無碳替代能源的開發以及二氧化碳的回收與再利用也非常重要。

二氧化碳的捕捉與封存是目前二氧化碳回收的重要技術，這技術的主要目標是把二氧化

碳排放源，如火力發電廠，所排出的二氧化碳抽取出來，並且在加壓液化後運送到適當的地

點封存。換句話說，就是把二氧化碳當作垃圾一樣，透過高成本與高耗能處理程序掩埋，對

於節能與降低環境衝擊（考量到封存之後可能的外洩）難以帶來太多正面的效應。

然而，若把二氧化碳視為資源或原料，在回收後透過轉換程序成為較高價值的化學物品

（如甲醇（CH 3 OH））或替代性燃料（如二甲醚），除了可以穩定大氣中二氧化碳的濃度外，所得產物也可再利用而達到碳循環的目的。

然而二氧化碳是化學穩定性很高的物質，必須有高能量的注入才能使轉換反應順利進

行。另一方面，為了不額外增加二氧化碳的排放，以及達到永續二氧化碳的再利用，這能源

必須是可再生且無碳的。

目前再生能源有很多種，包括太陽能、風力、潮汐能、生質能等。其中，太陽能是地球

上最豐富且零汙染的再生能源，太陽照射地球表面的功率約為 1.2×10 17瓦特，累積約 8個小時，便可滿足目前全球一年能源的需求（約 1.22×10 14度），因此把太陽能應用在二氧化碳

的再利用上，具有相當高的潛力。

太陽能科技的新應用

對於降低二氧化碳的排放，除了節約能源與提高能源使用效率外，

無碳的替代能源的開發以及二氧化碳的回收與再利用也非常重要。

「潔」能減碳 ―

35科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

光合作用

光合作用是大自然利用太陽能與二氧

化碳的實例。自然界的光合作用主要分為

兩個階段 ─ 光反應與暗反應。光反應階段

是由植物細胞內葉綠體中的光合色素在照

光下，被激發後所衍生出的一連串電子傳

遞與能量轉換的過程。光合色素包括天線

色素與反應中心（即一特殊葉綠素 a分子

用以進行光化學）兩類，而其組合可分成

光系統 I與光系統 II。

進行光反應時，天線色素吸收大部分

光能後，便以分子振動的方式把能量傳遞

到反應中心內的 P680與 P700色素，使其形成激發態，即 P680*與 P700*。激發態再釋出高能量電子，P700*所釋放的電子藉由電子傳遞鏈 II把 NADP＋還原成菸草醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸鹽（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH），P680*釋放的電子則透過電子傳遞鏈 I補足 P700失去的電子。

另一方面，在光反應進行的同時，

光 系 統 II 中 的 CaMn 4 簇 合 物（CaMn 4 cluster）催化中心把水氧化產生氧氣、電子與質子。其中的電子用來補足 P680失去的電子，而所產生的質子使得細胞膜內外產生

質子濃度差異，促使三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）合成酶生產 ATP。

簡而言之，光合作用中的光反應階

段是把太陽能先轉換成電化學能，再以

ATP、NADPH等化學能的形式儲存，以提

對於降低二氧化碳的排放，除了節約能源與提高能源使用效率外，

無碳的替代能源的開發以及二氧化碳的回收與再利用也非常重要。

把二氧化碳視為資源或原料，

在回收後透過程序轉換成較高價值的化學物品或替代性燃料，

除了可以穩定大氣中二氧化碳的濃度外，所得產物也可再利用。

光系統的組成

光系統 I 光系統 II

天線色素胡蘿蔔素與葉綠素

葉黃素與葉綠素

反應中心 P700註 P680註

註： 反應中心 P680與 P700中的 P代表色素，680與 700則分別代表葉綠素對波長 680奈米與700奈米的太陽光吸收最大。

自然界光合作用

的光反應示意圖

自然界光合作用

的光反應示意圖

電子能量

高

低

簇合物

光系統 Ⅱ

激發態

激發態

光波長680奈米

電子傳遞鏈

Ⅰ

光系統 Ⅰ

光波長700奈米

電子傳遞鏈 Ⅱ

　

二氧化碳還原（暗反應）

2H 2 O　

O 2 ＋ 4H+

e–　

e–　

e–　

e–　

CaMn4

P680*

P680*

P680

P700

ADP

ATPNADP +NADPH

專題報導

36 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

供在暗反應階段二氧化碳還原產生葡萄糖

所需的能量。

仿光合作用系統

從以上的說明可歸納出，自然界的光

合作用中促使二氧化碳轉換成葡萄糖主要

有兩個單元：吸光單元，吸收太陽光能量

並且轉換成高能的電荷載子；催化單元，

利用電荷載子的高能量催化特定反應的進

行，如水氧化與二氧化碳還原反應。要開

發以太陽能進行二氧化碳再利用的技術，

這兩個單元缺一不可。

目前這兩個單元的搭配形式主要可以

分成 3類：太陽能電池搭配具有能催化特定反應的觸媒的電解槽、表面修飾具有能

催化特定反應的觸媒的吸光材料懸浮系統、

吸光材料與觸媒所組成的光電化學系統。

在第一類系統中，太陽能電池是吸光

的單元，利用吸光所產生的電力驅動在電

解槽中以離子傳導膜隔離的，兩個不同腔

體中電極上的水氧化與二氧化碳還原反應。

第二類系統是把可催化氧化與還原反

應的觸媒組裝在吸光材料的奈米顆粒上，

照光時，由吸光材料產生的電荷驅動在觸

媒上的水氧化與二氧化碳還原反應。然而，

由於氧化與還原反應是在同一個奈米顆粒

上，除了氧化與還原反應所得的產物沒辦

法分離外，所得的產物會因為擴散至觸媒

表面造成逆反應的發生。

第三類系統則是把兩種不同吸光材料

搭配相對應的觸媒分別做成光陽極與光陰

極，在照光下分別進行氧化與還原反應。

兩個光電極分別放置在以離子傳導膜隔離

的腔體中，因此除了所得產物可以分離外，

也可以降低產物擴散至對電極所造成的逆

反應的機率。以下就針對第二類與第三類

系統進一步說明。

吸光單元

雖然自然界的光合作用是一個很獨特

的程序，但其轉換效率卻很低（全年轉換

效率∼ 1 ％）。除了可行光合作用的生物體必須利用部分的能量維持其生長與繁殖外，

光系統 I 和 II的吸光範圍幾乎相同也是造成低效率的原因。也就是說，兩個光系統共用

幾乎相同的太陽光波段的能量，造成兩個光

系統競爭吸光的情況，即當一個光系統吸收

了部分光能後，另一光系統可吸收的能量便

仿光合作用系統的示意圖。離子

傳導膜的功能除了傳遞電解液中

的離子外，也可減少兩邊電極上

反應的產物滲透到對電極的可能。

仿光合作用系統的示意圖。離子

傳導膜的功能除了傳遞電解液中

的離子外，也可減少兩邊電極上

反應的產物滲透到對電極的可能。

太陽能電池

與

與

與

吸光材料

二氧化碳還原觸媒

水氧化觸媒

離子傳導膜　

H+

H+ H+

H+H+

CO 2　

CO2　 CO 2　

CH 3 OH

CH3OH CH 3 OH

H 2 O

H+ ＋ O 2

H2O　 H 2 O　

O2　 O 2　

e–

　e–

　e–

　e–

37科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

降低了。與可吸收不同太陽光波段的互補式

系統相比，其效率只有互補式系統的一半。

為了開發高效能的二氧化碳轉換技術，

吸光單元的選擇與搭配非常重要。吸光單

元中的材料是半導體材料，因此光化學的

特性跟其能階結構有很大的關係。

半導體材料的能階結構，簡單可區分為

價帶（valence band, VB）、傳導帶（conduction

band, CB）與能隙（band gap, E g）。價帶是

被電子占滿的較低能量帶，傳導帶則是未被

電子占滿的較高能量帶，傳導帶的最低點與

價帶的最高點的能量差便是能隙。當半導體

材料被具有大於或等於其能隙能量的光照射

時，在價帶的電子便可激發而躍遷至傳導

帶，並在價帶中留下一個電洞。

倘若在傳導帶的電子的能量高於二氧

化碳還原反應所需的能量，電子便有機會

轉移至二氧化碳使二氧化碳還原。若價帶

位置低於水氧化產生的電子的能量，則在

價帶中因電子的躍遷所形成的電洞（h＋），

便有機會被水氧化所產生的電子補足。

另一方面，半導體材料能隙的大小決

定了這材料吸光的範圍。吸光材料的能隙

越小，要激發在價帶的電子所需光子的能

半導體吸光材料的光反應示意圖

（a）互補式光電化學系統的能階與電荷傳遞示意圖。（b）氧化鎢與氧化鉍銅的吸收光譜。

電子能量　

2H2O → O2 ＋ 4H+ ＋ 4e–

CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → CH3OH ＋ H2O　

CB

VB

Eg

h+

e-

e-

電子能量

光陽極 光陰極

吸收度

波長（nm）

CB

CB

VB

VB

e–

e–

e–

e–

h+

h+

WO3 CuBi2O4

400 500 600 700 800 900

CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e– → CH3OH ＋ H2O

2H2O→ O2 ＋ 4H ＋ 4e–

（a） （b）

(ii)

(i)

(i) CuBi 2O 4(ii) WO 3

專題報導

38 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

量就越小，代表這材料較能利用太陽光光

譜中較長波長的光子進行光化學反應，因

此捕捉太陽能的能力就越高。然而，為了

讓電子能夠順利地轉移，傳導帶與價帶的

位置受限於感興趣的氧化還原反應，材料

能隙的大小也因此受到限制。

為了同時顧及吸光材料吸收太陽光的

能力與受光激發所產生電荷載子的能量，仿

光合作用系統可採用兩種以上具有光學互補

特性的吸光材料，組合成一光電化學系統。

例如以氧化鉍銅（CuBi 2O 4）為光陰極、氧化鎢（WO 3）為光陽極的光電化學系統，氧化鉍銅的傳導帶最低點的位置高於二氧化

碳還原反應所需的能量，因此照光所產生的

電子可順利轉移至二氧化碳，達到二氧化碳

還原的目的。另一方面，由於氧化鉍銅的價

帶最高點的位置高於水氧化所產生電子的能

量，因此產生的電子無法傳遞至氧化鉍銅補

足因照光激發所失去的電子。

雖然如此，氧化鎢受光激發而躍遷至

傳導帶的電子，可從外線路傳遞補足氧化

鉍銅價帶失去的電子，並且因氧化鎢價帶

最高點的位置低於水氧化所產生電子的能

量，水氧化釋出的電子便可轉移至氧化鎢

的價帶補足失去的電子。此外，氧化鎢與

氧化鉍銅的吸光範圍重疊部分不大，因此

兩者吸光互補，整個系統的吸光範圍可延

伸至 720奈米左右，相當於 6 ％ 的理論太陽能轉換效率。

催化單元

二氧化碳的還原反應是多步驟且牽涉到

數個電子與氫離子轉移的複雜反應，且還原

反應的中間產物二氧化碳自由基（CO ‧–2）的

形成需要很高的電位，因此必須施加很高的

能量才可能順利進行二氧化碳的還原。

然而，在施加高能的狀況下，可能會

引發其他副反應的發生。例如，當受光激

發的電子的能量高於形成二氧化碳自由基

（CO 2＋ e –→ CO ‧–2）所需能量時，其電子

不僅可以轉移給二氧化碳，也可給氫離子

二氧化碳還原反應的電位圖

催化反應與非催化反應的反應路徑比較

CO‧–2＋ CO‧–

2→ [C2O4] 2 – （1）CO‧–

2＋ H+＋ e－→ HCOO－ （2）2H2O→ O2＋ 4H+＋ 4e－ （3）

未加觸媒　 加觸媒

自由能

反應過程

活化能Ⅰ

活化能Ⅱ CO2還原產物

CO2

CB

VBh＋

（a）CO2＋ e－→ CO‧–2

（b）CO2＋ 2H＋＋ 2e－→ HCOOH（c）CO2＋ 2H＋＋ 2e－→ CO＋ H2O（d）CO2＋ 4H＋＋ 4e－→ HCHO＋ H2O（e）2H＋＋ 2e－→ H2

（f）CO2＋ 6H＋＋ 6e－→ CH3OH＋ H2O（g）CO2＋ 8H＋＋ 8e－→ CH4＋ 2H2O

電子能量

(ii)

(i)e－

39科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

開發與其結構類似的水氧化觸媒。此外，

金屬氧化物如氧化鐵、氧化鎳、氧化鈷、

氧化釕等，在氧化環境下較穩定，也常用

來催化水氧化反應。

目前太陽能電池是太陽能主要的應用，

但太陽能電池僅能在照光時產生電力，不

僅在天黑時無法作用，本身也無法儲存白

天所產生的多餘電力。若把太陽能技術應

用在二氧化碳的轉換反應上，多餘的太陽

能便能以化學能的形式儲存在含碳的燃料

中，當有能源需求時就可使用。因此這技

術除了可再利用二氧化碳外，對於解決具

間歇性的太陽能儲存問題以及替代性燃料

生產技術的開發都有助益。

這技術目前尚處於試驗階段，如何使

這技術實用化，除了必須仰賴吸光材料與觸

媒材料的設計與搭配，使太陽能捕捉量最大

化，以及使二氧化碳選擇性地轉換成特定

產物，以減少後續分離純化步驟外，如何

有效率地把二氧化碳從二氧化碳排放源所

排出的廢氣中抽離與濃縮，也是這技術發

展的關鍵。

把太陽能技術應用在二氧化碳的轉換反應上，

多餘的太陽能便能以化學能的形式儲存在含碳的燃料中，當有能源需求時就可使用。

林家裕成功大學化學工程學系

而產生氫氣（2H＋＋ 2e –→ H 2）。即使二氧化碳自由基能順利形成，還原所得產物

也隨二氧化碳自由基與不同物質碰撞的反

應而有所不同。例如，兩個二氧化碳自由

基反應可產生草酸根離子（CO ‧–2＋ CO ‧–

2→

﹝C 2 O 4﹞2 –），而二氧化碳自由基與氫離子

及電子反應可生成甲酸根離子（CO ‧–2＋ H＋

＋ e –→ HCOO –）。為了降低二氧化碳反應所需的能量，與

控制反應後所得產物的種類，二氧化碳還原

反應必須引入一催化單元，提供低活化能的

反應路徑。自然界有數種現成能催化二氧化

碳還原的生物觸媒，包括可生成甲酸的甲酸

脫氫酶，以及可生成一氧化碳的一氧化碳脫

氫酶。這些生物觸媒具高選擇性，可把二氧

化碳還原成特定的產物。

然而，這些生物觸媒在有氧環境下會

有失活的現象，不利於實際應用。為了開

發性能更好的觸媒，部分科學家便以這些

生物觸媒的活性中心的化學結構做為模型，

合成仿生物觸媒的化合物。此外，一些金

屬奈米顆粒如銅、金、錫、鋅等，也可用

來催化二氧化碳的還原。這些金屬奈米顆

粒的使用較簡單，但對二氧化碳還原所得

產物的選擇性不高。

另一方面，水的氧化反應（2H 2 O→O 2＋ 4H＋＋ 4e –）也是牽涉到多步驟、多電子與氫離子轉移的複雜反應。加上水氧化

反應須在很高的氧化環境下進行，因此觸

媒除了要有降低反應活化能的能力外，能

夠在高氧化環境下維持其穩定性也相當重

要。自然界的水氧化觸媒就是光系統 II內的 CaMn 4簇合物，目前也有許多科學家在

40 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

你知道嗎？胰臟跟肝臟其實是攣生兄弟。甚至，它們的個性也很相像，總是默默地付出，

傷痛了也不會馬上讓你知道，更不會主動跟你訴苦：「我好痛！」只會默默地咬牙苦撐，安靜

地繼續忍受，直到真的受不了，才會老實地跟你訴說：「我不行了！」你可能聽到過「肝若不

好，人生是黑白的」，然而，胰臟若不好，人生會是彩色的嗎？

從報章雜誌的報導，常聽聞不少名人因罹患胰臟癌而逝世。雖然胰臟癌在台灣的發生率

並不算高，腫瘤發生個案數僅占國人全部惡性腫瘤發生個案數約 1.55％，但近 5年來胰臟癌在台灣漸受重視的程度，不亞於曾經令人聞之變色的國民病 ─ 肝癌。因為胰臟癌棘手且治癒率不高，目前有許多單位成立了專案研究團隊，開發更有效的篩檢方法與治療方針。

胰臟癌來得又急又快，當發現時已是癌症末期，為什麼胰臟癌的死亡率這麼高？為什麼

胰臟癌不容易早期發現呢？在回答這些問題以前，先來認識胰臟吧！

內外兼顧非胰臟不可胰臟是個同時具備外、內分泌功能的器官。外分泌是由胰液經胰導管流入腸道，

在小腸內消化醣、脂肪、蛋白質等物質，而內分泌由胰島所分泌的多種激素，

透過血液傳輸協調遠端組織，維持營養攝取的平衡，尤其是血糖。

■ 郭朝禎、邱姜硯

胰臟癌棘手且治癒率不高，

目前有許多單位成立了專案研究團隊，開發更有效的篩檢方法與治療方針。

胰臟位於小腸底部，橫躺在

上腹腔近後壁處，鄰胃與

十二指腸，緊鄰肝臟與膽。

胰臟分為頭部、頸部、胰臟

體及尾部，由頭部延伸下彎

部位稱作鉤突。胰管以及膽

總管於乏特氏壺腹處與十二

指腸相通。鉤突

膽總管 胰葉

胰導管

胰臟體

胰臟尾部

胰臟頭部

乏特氏壺腹

十二指腸

41科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

肝臟跟胰臟是攣生兄弟嗎

肝臟跟胰臟長得不一樣，為什麼說它

們是攣生兄弟呢？其實，肝臟跟胰臟都是

由胚胎前期的內胚層所發育出來的器官，

是依發育當時分子訊息的協調控制，而逐

步發展出的獨特構造，分化出不同功能的

器官。不僅如此，俗話常說「肝膽相照」，

與肝臟十分親密的「膽」也和胰臟的發育

有密切的關係！

當媽媽懷孕大約 5周時，透過陰道超音波檢測絨毛膜腔，這時的胚囊約有 1公分的大小並分化成三胚層構造，分別是外胚層、

中胚層及內胚層。胰臟就在這時誕生了，剛

誕生時的胰臟是以一對（兩葉）的外襯出現

在胚囊「內胚層」中，分別稱作腹側胰腺與

背側胰腺。然而，因為背側胰腺發育得比腹

側胰腺快，所以背側胰腺的體積會稍大於腹

側胰腺。當胚囊發育至 6至 7周時，腹側胰腺就會被正在長大的膽總管帶著旋轉，而跟

著轉向了背側胰腺。

當胚囊發育至 8周時，腹側胰腺會與靠近十二指腸部分的背側胰腺融合為一

體，而這兩胰腺外襯融合的部分稱作胰臟

的頭部，也是形成主胰管的位置。將來胰

腺與膽管的分泌物會由這裡流進十二指

腸，而這個匯流處稱作「乏特氏壺腹」。剩

餘未融合的背側胰腺組織稱作胰臟尾部，

並緊靠脾臟門脈。中國古代醫學說脾臟有

半斤「散膏」，而這「散膏」是附脾之物。

這裡的「散膏」所指的就是胰臟，而胰是

脾之附臟的說法就是因為胰臟尾部與脾臟

相連。

胰臟位置與基本功能

俗語稱胰臟為「腰尺」，經由透視圖能

輕易知道胰臟就像一把尺橫躺在上腹腔處。

而從解剖學的角度來看，會發現胰臟雖然

上鄰胃與十二指腸，緊鄰肝臟與膽，但其

實它埋藏在小腸底部，且位置略靠近腹腔

後壁；就如同要穿過層層的灌木叢林，把

那些覆蓋茂密的植被逐一挪開，才能一窺

標的物的堂奧。就因為胰臟藏身隱密，所

以若僅簡單進行醫學理學檢查，像是觸診，

很難觸摸到它。現在我們已經了解胰臟位

處隱密，接下來就該問︰「胰臟有什麼功

能呢？」

胰臟在人體生理代謝中扮演著協助食

物消化與營養物吸收的角色，而這樣的功

胰臟癌棘手且治癒率不高，

目前有許多單位成立了專案研究團隊，開發更有效的篩檢方法與治療方針。 胰臟藏身隱密，若僅簡單進行醫學理學檢查，像是觸診，很難觸摸到它。

胰臟在胚胎前腸時期有兩葉，依組

織位置區分為腹側胰腺與背側胰腺。

腹側胰腺在發育過程中，會隨著膽

囊發育被帶動旋轉，逐漸轉向背部

胰臟且與之融合形成完整的器官。

第 5周成形 第 6～ 7周旋轉 第 8周融合

膽道

腹側胰管

背側胰管

背側胰腺腹側胰腺

42 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

能主要是透過酵素（酶）及激素的作用來

達成。胰臟所分泌的酵素與激素本質上都

是由胺基酸所組成的活性蛋白質，但酵素

與激素的生產地、作用的位置、作用的機

制，以及輸送的方式都迥然不同。酵素是

由外分泌系統運送至小腸，執行醣類、脂

肪、蛋白質等大分子的水解作用；激素是

由內分泌系統運送並作用在肌肉及脂肪細

胞，促進葡萄糖的吸收、肝醣與脂肪酸的

合成。我們就依循著胰臟內部所見，分別

說明這兩大系統。

外分泌系統

人的身體內部器官外表都會披上一層

外膜，主要功能是保護器官、形成支持、

連接等。胰臟不僅外披結締組織，胰葉間

也有薄膜包覆。胰臟的每一片小葉構造幾

乎都相同，胰葉組織約有 90 ％ 是由胰腺細胞構成，胰腺細胞多呈錐體狀，並有豐富

胰臟在人體生理代謝中扮演著協助食物消化與營養物吸收的角色，

而這樣的功能主要是透過酵素（酶）及激素的作用來達成。

胰臟含有外分泌及內分泌功能的細胞，依據發育當

時相關分子訊息的協調控制，使前驅細胞依照指示

分化出功能專一的細胞，且形成有組織的細胞群

集，建構胰臟完整的功能。

胰臟兩大系統比較

系統 構造 分泌來源 成分 運輸方式 作用位置 生理功能

內分泌

胰島細胞群：β細胞、α細胞、δ細胞、PP 細 胞、ε細胞

胰島素、升糖素、體制素、胰多肽、生長素釋放激素

胰島→微血管→血液體循環

肝臟、肌肉、脂肪組織及胰島

調節醣類、胺基酸、脂肪酸等養分新陳代謝及血糖平衡

外分泌胰腺細胞、胰管上皮細胞

消化酶、胰液（含鈉、鉀、鈣、鎂、磷酸鹽及碳酸氫鹽）

胰腺細胞→胰閏管→小葉內導管→小葉間導管→胰主導管→乏特氏壺腹→十二指腸

小腸

分解醣類、蛋白質、脂肪酸等養分以促進腸道絨毛吸收

的粗面內質網以及核醣體的旺盛蛋白質合

成系統，利於快速合成消化系統所需的消

化酶，小腸內的胰消化酶絕大部分都由這

腹側內胚層細胞

背側內胚層細胞

胰臟前驅細胞

內分泌細胞

胰管細胞

胰腺細胞

43科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

系統製造。從組織染色觀察胰腺細胞質，

在頂部可以清楚地看見細小顆粒，那就是

分泌前的酵素顆粒。

當吃完東西腸道需要消化時，胰腺細胞

會大量分泌消化酶，這時胰腺細胞裡的酶顆

粒就會比未進食前少。此外，胰腺細胞會同

時分泌胰蛋白酶抑制因子，使消化酶維持在

沉睡的狀態，直到安全送入小腸為止。

你可能好奇為什麼要這樣做？原因很

簡單，胰蛋白的部分功能就是消化蛋白質，

無論是外來食物中的蛋白質還是細胞自身

的蛋白質，都會被胰蛋白酶辨認破壞，若

這些胰蛋白酶在尚未離開胰臟前就活化，

可能導致胰腺組織被分解破壞，而造成急

性胰腺炎。

如何運送胰腺細胞分泌的消化酶呢？

數個胰腺細胞會排列成簇，這些成簇的細胞

內有個紡錘狀的細胞，稱作中心胰腺細胞，

也是胰臟閏管細胞延伸至胰腺細胞群內的末

端細胞。當胰腺細胞分泌消化液時，會透過

胰葉的閏管匯流於小葉內導管中，再由小葉

內導管匯流於小葉間導管，就像溪流般不斷

地匯流，上游各支流流進橫貫胰臟體的主胰

管中，最終在胰臟頭部與膽總管匯合處經由

「乏特氏壺腹」流入十二指腸中。

在十二指腸的消化系統中，胰液與膽汁

是最主要的消化液。胰液無色無臭，pH值約為 7.8∼ 8.4，呈弱鹼性，可以中和由胃幽門進入十二指腸內的胃酸，保護腸道黏膜

免受胃酸的侵蝕，鹼性環境的腸道也利於大

多數的消化酶維持活性。此外，胰液中含有

鈉、鉀、鈣、鎂，磷酸鹽，以及大量的碳酸

氫鹽等物質，這些無機物質都是由胰腺小導

管的上皮細胞所分泌的。成人每日分泌的胰

液量約為 1∼ 2公升，跟一瓶保特瓶裝沙士差不多，很驚人吧！

在進食的狀態下，食物會刺激胃腸各部

感受器，導致內分泌系統中的胰泌素、膽囊收

縮素、胃泌素等激素對目標細胞作用，而胰泌

素可刺激胰液的釋放。胰液中含量最多的蛋白

質就是胰腺細胞分泌的消化酶，主要有胰澱粉

酶、胰脂肪酶、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶、多肽

酶、膽固醇脂酶等，這些消化酶進入小腸後，

會馬上從沉睡中甦醒，開始分解食物中的澱

粉、脂肪、蛋白質等養分，以利小腸吸收。

這些消化酶都有其受質專一性，例如

胰澱粉酶水解澱粉為麥芽糖和葡萄糖；胰

脂肪酶分解三酸甘油酯為脂肪酸和甘油；

胰蛋白酶和胰糜蛋白酶分解蛋白質為小分

子多肽和胺基酸，其中胰糜蛋白酶還有較

強的凝乳作用。

內分泌系統

胰臟小葉裡還有一個獨特的構造散布在

每一片胰葉裡，有如漂浮在汪洋中的小島，

想起來它是什麼了嗎？沒錯，就是胰島。胰

島的正式名稱是「Islets of Langerhans」，

胰臟在人體生理代謝中扮演著協助食物消化與營養物吸收的角色，

而這樣的功能主要是透過酵素（酶）及激素的作用來達成。

胰臟由胰葉構成，而胰葉主要由胰腺、胰島、胰導

管、胰閏管，以及其他組織所組成。胰島是由多種

功能的細胞匯聚而成的不規則細胞群，細胞核密度

很高，可從組織染色輕易分辨。

胰葉間導管 胰腺細胞 胰島

胰葉內導管

44 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

分泌體制素、PP細胞（1％）分泌胰多肽、

ε–細胞分泌生長素釋放激素。這群細胞間彼此依賴，即便把胰臟分離至體外培養，

仍然可以觀察到胰島細胞彼此緊密地生長

在一起，且在培養皿上形成一抹多種細胞

形態的圈塊，畫面十分獨特。

當說到胰島時，你會聯想到什麼呢？

你一定會說胰島會分泌胰島素和升糖素，它

們互相拮抗，可以控制血糖穩定。是的，只

是若單有胰島本身，真能夠獨立完成控制血

糖的大任嗎？當然不可能，還需要誰來協助

呢？想想先前不是說胰臟有個攣生兄弟嗎？

沒錯，就是「肝臟」。胰臟與肝臟如何攜手

合作一起調節人體的血糖平衡呢？

當我們用餐後，澱粉類食物進入腸道

經由胰澱粉酶水解成葡萄糖，會被小腸絨毛

吸收而湧入血液中，血糖濃度因而會輕微上

中文稱為蘭氏小島，是由一位德國病理學

家保羅．蘭格爾翰斯（Paul Langerhans） 在1869年時發現的。

如何在 90 ％ 都是胰腺細胞的胰葉中尋找胰島呢？其實很簡單，胰島是由體積較

小的細胞團匯聚而成的不規則細胞群，它

的直徑介於 50至 500 微米之間，每個胰島約含有 1,000個細胞，因此細胞核密度很高，可以從組織染色輕易辨別，而胰島在

胰臟尾部含量最多。雖然胰島占整張胰葉

面積小之又小，請別小看它，麻雀雖小但

五臟俱全唷！

胰島細胞團裡藏著功能高度分化的細

胞群，這群細胞的共同特色是會各自分泌

獨特的激素，而胰島內有 5種分泌激素的細胞，依占胰島比率多寡排序如下：β細胞（65∼ 80％）分泌胰島素、α細胞（15∼ 20％）分泌升糖素、δ細胞（3∼ 10％）

當人體內的胰島素無法發揮正常功能時，需要注射胰島素維持身體運作。（圖片來源：種子發）

45科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

升。這時，胰島的β細胞感知到葡萄糖代謝時所產生的膜電位變化，因而分泌胰島素。

但胰島素並非與消化液一同流入胰導

管進入消化腸道，而是透過胰小葉間周邊

微血管匯流於小靜脈，再經門靜脈率先流

入肝臟，隨後進入體循環系統中。有些對

胰島素敏感的器官表面有胰島素的接受器，

當表面的接受器與血液裡的胰島素接合時，

細胞接受器發生構形上的變化，誘導下游

細胞訊息傳遞的活化，這時有趣的事便在

這些器官裡發生了。

胰島素除了能促進肝細胞攝取葡萄糖

外，也能促使肌肉細胞把葡萄糖轉化成肝醣

儲存，也會抑制肝醣分解作用的進行，減

少向血液中釋放葡萄糖。不僅如此，胰島

素還能協助脂肪細胞吸收葡萄糖並轉化成

脂肪儲存。因此，餐後雖然血糖濃度微幅

升高，但很快就會恢復到正常範圍（70∼100 mg／dL）。

相反地，飢餓時胰島中α細胞分泌升糖素，抑制肝臟中肝醣的合成並啟動肝醣的分

解過程，同時肝臟透過特有的葡萄糖 – 6 –磷酸酶，得以把肝臟內的肝醣分解成葡萄糖並

釋放於血液中，即時提供組織所需。然而肝

醣儲存量最大的器官 ─ 骨骼肌 ─ 不具有葡萄糖 – 6 –磷酸酶，因而無法釋放出葡萄糖以平衡血糖。由此可見，胰臟和肝臟在維持身

體的血糖恆定上發揮了舉足輕重的角色。

如果哪天肝臟或胰臟功能嚴重受損時，

進食糖類或由靜脈輸入葡萄糖液都可能提

當食物進入腸道時，會刺激下視丘分泌內分泌素，內分泌素會經由血液調節胰島分泌胰島素，胰島素透過體

循環系統刺激肝臟、脂肪組織及骨骼肌肉，加速葡萄糖的吸收、肝醣或脂肪儲存，維持餐後血糖濃度的平衡。

骨骼肌進行肝醣合成與儲存

肝臟進行肝醣合成與儲存

糖解作用

檸檬酸循環

葡萄糖運轉蛋白

調控胰島素分泌

下視丘

胰島素受器

胰島素受器胰島素受器

葡萄糖運轉蛋白

葡萄糖運轉蛋白

脂肪組織進行脂肪酸合成

葡萄糖

葡萄糖

胰島素分泌顆粒

葡萄糖

葡萄糖

調控糖代謝酵素基因表現

46 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

高血糖甚至發生糖尿病。反之，如果飢餓

過頭還不進食，則可能出現低血糖的狀況。

因此，肝臟與胰臟自發育開始就相互依賴，

就像攣生兄弟般。

當然除了β細胞與α細胞外，胰島中的δ細胞也扮演著制衡的角色。它所分泌的體制素會抑制升糖素與胰島素構成負向

調控，另一方面，它也能減緩腸道運動以

增加營養素吸收的時間。所以說你能不好

好地保養胰臟嗎？沒有了它，你的人生就

有如沒有肝臟一樣，不再是彩色的了。

檢視胰臟癌

你忙壞了，會告訴自己︰「我要休息

了！」當你吃錯了東西，肚子會痛，然後急

著跑廁所。然而有些器官出毛病時，反應不

會這麼即時，肝臟就是如此，胰臟也不例外。

胰臟幾乎有半截覆蓋在腸胃底下，除

了少數有胰臟炎或有家族病史（包含基因

變異）的患者之外，胰臟腫瘤初期多無跡

可尋。雖然現行以檢驗血清內 CA-199 和 CEA兩種蛋白質的濃度做為胰臟癌的腫瘤指數，但這兩項指標缺乏專一性與穩定性，

僅能做為評估患者接受治療前後的狀況，

而無法做為篩檢罹癌的指標。

近期諸多研究開始透過蛋白質體學技術

大範圍尋找血清裡或尿液裡的生物標記，同

時配合非侵入性的診斷方式，像是腹部超音

波、正子斷層掃描或內視鏡逆行性膽管胰管

攝影，甚至是術用「內視鏡超音波」等 ，期望建構一套可用於早期檢測胰臟癌的指標。

胰臟在人體生態系中扮演協助消化與調節

血糖平衡的角色，因此當胰臟發生病變時，影

響所及不只是單一功能的喪失，甚至會發現吃

進的食物不易消化，或血糖突然居高不下。

過去的研究發現，胰臟癌依組織病變

形態分成胰腺癌及腺鱗狀癌，而前者約占

90 ％ 以上。胰腺癌的癌化細胞是由負責消化液分泌的胰腺細胞，經過上皮瘤病變的

過程逐漸演變而來。胰腺細胞因為基因變

異迫使轉變成導管狀，只是這時分化出來

的導管並無輸送的功能。因此，臨床上可

透過胰澱粉酶與胰脂肪酶兩項指標，評估

胰臟外分泌作用的功能是否正常。

胰臟癌是一種侵入性與轉移性很高的

癌症，除了浸潤胰島與周邊神經組織，造

成內分泌功能喪失與上腹部疼痛外，癌細

胞常透過淋巴腺或血管轉移至遠端器官，

發展成次生腫瘤。臨床上，胰臟癌細胞常

轉移到肝臟瘤，而在動物模式中，肺部及

在胰臟癌症細胞附近常可見癌前病變、大量纖維

細胞浸潤及炎症反應 A：正常胰臟之胰腺細胞。B：癌前病變時期，呈現出柱狀形上皮細胞且細胞核較大。C：典型胰臟癌病變，癌細胞呈現核濃染，大小形狀不一。

CB

A

47科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

郭朝禎高雄醫學大學醫學研究所

邱姜硯高雄醫學大學附設醫院肝膽胰外科

根據行政院衛生福利部的資料，惡性腫瘤連續 32年蟬聯國人死因之首。依據民國 102年惡性腫瘤死因統計，胰臟癌位居死因第 8位，且從 10大癌症死因標準化死亡率觀察，過去 10年間，因胰臟癌造成的死亡率升幅最大。

十二指腸多有胰臟癌細胞轉移的紀錄。當

胰臟癌進入晚期時，從臨床或動物模式中

發現，患者或罹癌動物的膽囊會充滿膽汁

而腫大，嚴重時，膽汁會浸入循環系統，

而使皮膚或眼白處開始泛黃，這種現象就

是胰臟癌典型的黃疸症狀。

雖然 1996年起就有化療針劑可供治療，只是患者雖然支付了龐大的化療費用，

治療效果卻有限。而新藥與治療法仍處於研

發階段，因此至今胰臟癌仍是一個燙手山

芋。其實不是胰臟癌來得急又快，而是發現

時已是癌症末期，造成化療階段不合適，即

便手術切除，5年存活率還是低於 5 ％。你可能會好奇，既然胰臟癌這麼可怕，

要怎麼才不至於得到癌症呢？這個問題沒有

固定公式，但簡單地說︰「飲食、運動、作息，

預防勝於治療，你絕對可以戰勝癌症的。」

致謝

感謝高雄醫學大學附設醫院肝膽胰外

科郭功楷醫師提供相關圖片資料以及本文

內容的指導。

5.4

5.2

5

4.8

4.6

4.4

4.2

492 93 94 95 96 97 98 99 100 101

每十萬人口死亡率（％）

年分

4.5

4.64.5

4.6 4.64.7

4.94.8

5

4.9

102

5.2

48 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

複合材料可依其內含物的幾何形狀分為：顆粒型、纖維型、層狀複合材料，當然也可以

是不同內含物的組合。「複合材料」一詞常用來表示碳纖維複合材料，用環氧樹脂為基材，

把細長狀碳纖維「黏住」，以形成具纖維狀內含物的材料，或簡稱為「複材」。因其良好的

力學性質，例如高強度、低密度等，所以常用在航太工業或高階自行車產業。

上述「黏住」一詞並不是一個嚴謹的科學說法，但有助於我們對基材與內含物界面的情況建

立一約略的想像。其實在碳纖維複合材料中，這界面的結合力是由物理／化學鍵結所產生。整體

複合材料的品質往往由基材與內含物界面的性質所決定，探討界面則是一個頗為專門的領域。

混凝土是一種典型的顆粒複合材料，其中顆粒形狀的石頭是骨材，直徑約 3∼ 5公分，另以水泥砂漿做為膠結材料把骨材「黏住」，而形成一顆粒複合材料。實際上，在混凝土內

部並沒有「黏住」骨材這回事。

事實是水泥砂漿因水化（hydration）反應，由黏稠液體變成固體時，由於部分的水泥砂漿已滲入骨材表面的孔隙中，使得固化後的水泥砂漿得以「抓住」骨材。因此混凝土內部骨

複合材料的創新與利用複合材料廣泛地使用於我們的日常生活中，

其創新與適當的利用對人類文明發展會有深遠的影響。

■ 王雲哲

顆粒型、纖維型和層狀複合材料。

顆粒型 纖維型 層狀型

49科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

材與水泥砂漿的界面，在力學分析時可視

為是一完美的內界面。但是因骨材的力學

性質比固化後的水泥砂漿強，所以破壞大

多由這內界面開始。混凝土材料可提供良

好的強度與耐久性，但缺乏延展性與韌性，

是一脆性材料，使其使用受到大幅的限制。

反觀金屬材料，如鋼鐵或鋁合金，同時

具有良好的韌性與強度，因而大量使用在鋼

結構高樓建築中。金屬材料因為是由許多大

小約為 1微米（10 – 6米或公尺）單晶體的晶

粒，以不同的方向藉由晶界結合而組成，因

此純金屬也可視為一種複合材料。

目前以現象理論（phenomenological theory）為基礎的學理分析模型，雖然可以成功地把金屬材料當成單一物質，並預測

出其大部分的物理性質。但這類模型的缺

失在於忽略了金屬是複合材料的天性，因

此新力學模型的建立必須正視這一事實，

即金屬是多晶粒組成的複合材料。

以上就一般的複合材料先做簡單的介

紹，並以民生工業中常用的混凝土與鋼鐵材

料為例加以說明。以下，續針對高阻尼高

勁度黏彈複合材料，例如金屬高分子複合材

料、泡沫金屬、負勁度複合材料等的發展，

做深入的說明。

高阻尼高勁度黏彈複合材料

高勁度高阻尼複合材料的應用十分廣泛，

例如鉛心橡膠支承墊等，它的功能是提供勁

度以傳遞力，同時提供阻尼以降低振動，是

機械構件或結構物中很重要的元件。它也因

可吸收大量的衝擊能量，且同時維持材料的

幾何形狀，所以適合應用於汽車保險桿等。

目前成熟的力學理論可在不需知道材

料微觀結構的條件下，預測複合材料的整體

勁度與阻尼。研究發現理論預測的結果與實

驗觀察一致，也就是大多數的材料無法同時

具備勁度與阻尼這兩個性質，高勁度材料具

低阻尼，低勁度材料具高阻尼，例如建築用

材料就具有高勁度與低阻尼。很顯然直接從

自然界取得的材料，應該無法再改進其物理

性質。然而複合材料是可以設計的，因此提

供了無窮多的可能，預期會創造出許多工程

上所需的新材料。

以複合材料的方式應可兼具這兩種性

質，例如橡膠或高分子聚合物與金屬材料組

成的黏彈複合材料 ─ 鉛心橡膠支承墊，是一

種單方向消能的元件，以環狀軟金屬與高分子

材料製成，環狀軟金屬內部是縷空的微觀結

一般高勁度材料具低阻尼，例如陶瓷；低勁度材料

具高阻尼，例如橡膠。

複合材料是可以設計的，因此提供了無窮多的可能，

預期會創造出許多工程上所需的新材料。

黏彈模數（GPa）

正切消散模數

10 4

10 2

10 0

10 -2

10 -4

10 -610 -9 10 -7 10 -5 10 -3 10 -1 10 1

鑽石的楊氏模數 高勁度高阻尼陶瓷

單晶體陶瓷材料

結構金屬

軟金屬

高分子

泡沫金屬

凝膠

泡沫橡膠

橡膠

木

頭

50 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

構，高分子材料可填充其中。黏彈性複合材

料的理論告訴我們，當黏彈複合元件結合軟

金屬（低降伏金屬材料）與高分子材料時，

高阻尼及高勁度可同時產生。

當大變形發生時，元件中的軟金屬

塑性性質提供優異的塑性消能性質，大幅

消散了外部能量的注入，而能保護結構物

整體的安全。在更大外力作用下，災難即

將發生時，這元件會先自行破壞，保障其

連結構件的結構功能，避免瞬間式的整體

破壞所造成的災難。因此，藉由控制複合

材料的勁度、阻尼與強度，可增加這黏彈

複合元件提供給結構物的消能性質（高阻

尼）、變形能的儲存（高勁度）、局部化破

壞的能力。這些性質都是現代土木或其他

承載構件所需擁有的特性。

以上所描述在約數十公分大小（大尺

度）的金屬 ─ 高分子複合材料的消能行為，也可在小尺度（約 1公釐）微觀結構的材料中實現，例如：泡沫金屬（foamed metal）。泡沫金屬是一種相對密度（泡沫試體密度與

其固體成分密度的比值）非常低（約低於 5％）的多孔隙金屬，這類材料是一種結合固

體（稱為骨幹）與空氣的複合材料。

日常生活中常見的泡沫材料是高分子泡

沫，常用於坐墊或洗碗工具。泡沫金屬比較

少見，但並非不尋常，目前泡沫鋁、泡沫銅

和泡沫鋼在市面上都買得到。測試這類材料

的力學性質可以使用共振超音波頻譜儀。

共振超音波頻譜儀以兩個壓電制動器

夾住試體，其中一個送出高頻率的應力波

（1∼ 100 kHz）進入試體，另一個壓電制動器接收試體的振動訊號，若試體產生力學

共振，則所收集到的振動訊號會有一峰值。

角點接觸壓電制動器是為了降低力學阻抗，

提高訊號／雜訊比值，同時降低邊界束制，

達到自由振動的要求，使得理論解可用於

分析實驗數據。這試驗方式突破傳統拉伸

式試驗的難處，如狗骨頭試體形狀的切割、

夾具與應變量測等問題，可獲得材料在高

頻率刺激下精確的彈性常數和黏彈阻尼。

不考慮組成物的微觀結構，在各種可能的組成比例

下，理論預測兩相複合材料的整體黏彈模數與正切

消散模數必須介於上、下界之間。

由軟金屬（紅色）與高分子聚合物（灰色）組成的

黏彈複合式消能元件，具有高勁度與高阻尼的特

性。這元件可置放在結構物中，消散外力做的功，

以降低振動、減低地震造成的破壞，同時提供所需

的勁度與強度。

0.001 0.01 0.1

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

正切消散模數

無因次黏彈模數

上界

下界

51科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

泡沫金屬本身的勁度與阻尼表現都不

錯，勁度是來自於金屬骨幹的高彈性模數，

阻尼則來自金屬骨幹塑性變形後提供的塑性

消能。塑性消能是一不可逆的變形過程，會

使材料產生永久變形。當泡沫金屬與高分子

材料結合時，這複合材料可近一步在線性變

形階段使用高分子的線黏彈阻尼消能。此

外，減振就是減噪，在噪音的來源中，很大

一部分是來自材料的力學振動，如使用阻尼

降低振動，噪音自然而然也可以降低。

提及泡沫材料，則必須對其卜松比

（Poisson’s ratio）有些許了解，因為泡沫

材料是目前創造負卜松比材料的原物料之

一。卜松比是描述試體受軸向拉力下，其

側向變形與軸向變形的比值。大多數材料

受拉力作用時，軸向會伸長（正應變），側

向則縮短（負應變），因此卜松比在數學上

的定義是負的側向變形與軸向變形的比值。

一般金屬材料的卜松比約為 0.3，橡膠約為

0.5，紅酒瓶所用的軟木塞約為 0，泡沫高

分子或金屬材料約為 0.3，最小的等向性材

料的卜松比是 – 1。在共振超音波頻譜儀機台上測試中的泡沫鋁合金

（約 2公分立方大小）。

正卜松比泡沫材料的微觀結構由正規多面體組成（左圖），然而負卜松比泡沫材料的微觀結構，其組成單元

具有凹向內的多面體（右圖）。

52 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

正卜松比與負卜松比材料都是泡沫材料，

但具有不同的微觀結構。正卜松比材料由正

規多面體單元堆疊而成，負卜松比材料則由

凹向內的多面體單元堆疊而成，這些多面體

在真實材料中會以些微扭曲的狀態存在。

當材料具有小於 – 1的卜松比時，這材料具有負勁度的特性。負卜松比材料適

用於螺栓（因變形後體積大幅增加）、降低

兩物體間的接觸應力（因曲率變化特性），

以及降低噪音（因微結構的皺褶增加）。目

前對負卜松比材料的研究專注在使沒有孔

隙的連續體介質中產生負卜松比，對負卜

松比材料有興趣的讀者，請參閱網址 http://www.auxetic.info。

四兩撥千斤的「極端」複合材料

鐵彈性複合材料是金屬基複合材料的

一種，它以金屬為基材，而以其他材料例如

陶瓷顆粒為內含物的複合材料。在鐵彈性複

合材料中，內含物是具鐵彈性質的陶瓷顆

粒，一般使用二氧化釩或鈦酸鋇。所使用的

鐵彈性內含物的量僅約一個體積百分比，就

可使得整體複合材料產生「極端」的整體勁

度與阻尼，「極端」是因為極大的整體阻尼

與極大或極小的整體勁度，因此稱為是「四

兩撥千斤」的極端複合材料。

鐵彈性質與鐵電性質有密切的關係，當

受外在物理場量的影響時，如加減溫度或改

變電場，它們就會進行固態 ─ 固態的相變換，也就是其固體組成的晶格狀態會改變成

另一個狀態。如鈦酸鋇在約攝氏 110度時，其晶格態由立方體（高溫）改變成四方晶系。

在相變換時，其系統能量會由具有一個

能量低點的特徵改變為具有兩個能量低點。

由於穩態的物理系統須處於能量低點，因

此當系統由高溫降為低溫時，原本高溫態

的能量低點就變成負勁度。因為勁度是能

量的曲率（二次微分），能量高點就表示負

勁度。因此系統會改變其幾何形狀，新的

系統會選擇兩個能量低點之一，材料內部

因而形成局部區域（domain）。很多時候就

會出現欒生子（twin）的微觀結構，因為選

擇這兩個能量低點之中的任一個的機率是

一樣的。

勁度是描述材料受外力後其變形的程

度。負勁度則展現相反的力與位移關係，也

就是對材料施予均勻張力，材料內部則呈現

壓應變，這個現象在自然界是不存在的。一

個純負勁度的力學系統是不穩定的，表示這

系統在長時間下，會因周圍微小的擾動而變

換至另一平衡位置，因此無法存在。

鐵彈性材料可藉由溫度（或其他物理場）的外在控

制改變其能量曲線。

系統能量

序參數

2.5

2

1.5

1

0.5

0

- 0.5

-1.5 -1 - 0.5 0.5 1 1.5

53科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

負勁度是一個以等效的觀念描述材料

或系統的力學性質，在一些力學系統中，如

薄殼，其後挫曲行為可產生負勁度。在材料

科學中，固態 ─ 固態相變換也可產生負勁度。在層狀結構中，若某些層含高度的預應

力，或其物質組成是容易因壓力而發生相變

化的材料，則這層物質也會產生負勁度。

應用鐵彈性材料的固態 ─ 固態相變換所產生的負勁度，與基材的正勁度的劇烈

交互作用，大幅增加了顆粒型複合材料的

整體阻尼與勁度，這現象已由理論、計算

模擬、實驗驗證等交互檢驗而得到證實。

材料整體勁度與阻尼的大幅提升，已超越

傳統複合材料理論的預測，就是因為基材

與內含物界面的大量變形。

若以外層彈簧表示基材，內含物以內

層兩彈簧描述，當內含物的兩彈簧形成一

直線時，這內含物具有負勁度。這時外力

的擾動可以使材料產生「模態一」或「模

態二」的變形，兩種模態都可以發生，但

「模態二」較不穩定，須透過適當的幾何、

材料係數與外力作用以達到穩定。

「模態一」可同時提供高阻尼與高柔

度，「模態二」則同時產生高勁度與高阻

尼。雖然在某些條件下，鐵彈性複合材料

的「模態二」變形的穩定性較低，但如果

在某些工程應用上須使用短時間的極端材

料特性，如抵抗爆炸的一瞬間所需的高勁

度與高阻尼，這負勁度複合材料是目前唯

一的選擇。

此外、在層狀負勁度複合材料中，即

由一層正勁度、一層負勁度疊加而成的複

合系統，因負勁度層的影響產生能量釋放

的現象，這現象可類比於地震時所釋放的

能量。含負勁度的複合系統，經負勁度的

作用，未來甚至可以做為新能源使用，因

為負勁度材料或系統就是能量提供者。

鐵彈性複合材料在適當內含物的負勁度影響下，可

大幅提升整體阻尼與勁度或柔度。這理論結果已被

實驗證實，得以突破傳統複合材料理論上、下界的

限制。

負勁度複合材料的變形機制是藉由基材（外層斜彈

簧）與內含物（內層斜彈簧）在力學上的劇烈交互

作用產生「模態一」或「模態二」的變形。

負勁度比

正切消散模數

無因次黏彈模數

10 1

10 0

10 -1

10 -2

10 -3

10 -4

10 -5

3

2.5

2

1.5

1

0.5-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

外力 模態一

模態二

54 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

適當地使用複合材料可達到傳統材料

無法提供的功能，更適切地解決相關的工

程問題，滿足經濟上、環保上或能源上的

諸多考量。例如在生態復育工程上，為達

到生物多樣性的指標，可以使用泡沫金屬，

因為泡沫材料內孔洞的連通性可讓流體與

微生物在孔洞內流動，避免了一般混凝土

材料的絕對阻隔所造成的生態破壞。另外、

使用高勁度高阻尼材料可有效降低因地震

致使土木水利結構物的振動，所造成生態

系統的破壞。

古語說：「工欲善其事，必先利其器。」

這裡的「器」就是「工具」，但選取適當的

材料來做工具，何嘗不是發展工具過程中

重要的一環。

複合材料提供了材料創新的可能，如

負卜松比材料是藉由微觀結構的改變而形成，

負勁度複合材料則是由微觀機制的啟動而

產生。這微觀機制是由鐵彈性材料的內含物，

在進行固態 ─ 固態相變化時，產生的局部負勁度與基材的正勁度劇烈的交互作用，

而達到高勁度、高阻尼及其他高耦合場量，

如壓電常數、熱電常數等性質。這類新穎

複合材料的創造與應用是可以預期的。

王雲哲成功大學土木工程學系

適當地使用複合材料可達到傳統材料無法提供的功能，

更適切地解決相關的工程問題，滿足經濟上、環保上或能源上的諸多考量。

55科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期廣告

56 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

全球現況與展望

全球可經濟開採的波浪能資源高達

2,000 TWh／年（1 TWh＝ 10 12瓦‧小時），

約為 2005年時全球總發電量的 11 ％。目前至少有 50個波浪能計畫在進行，

其中最具產業領導地位的是英國海洋電力

傳輸公司（Ocean Power Delivery Ltd.）。這家公司研製出最先進的離岸式波浪能發電

機組「Pelamis」，在蘇格蘭營運，每年可產生 2.2兆瓦的電能，足夠滿足 1,500個家庭用電的需求，而這個波浪能發電站最終目

標是產生 21兆瓦電能。另外，2008年 9月這家公司在葡萄牙

北部大西洋沿岸靠近 Povoa de Varzim城鎮，離岸 3海里的 Agucadoura海灣處，完成了世界第一座商用型波浪發電站，總裝置容

量是 2.25 MW。過去 20年來，波浪能發電機組營運所

需的電力成本明顯下降，在折現率（discount rate）8％下，預估約為 0.08歐元／度，比起歐洲現行的平均電價 0.04歐元／度高出

台灣發展波浪能的評估波浪能發電是藉著波浪能裝置把波浪能先轉換為機械能（液壓能），然後轉成電能，

這一技術興起於上世紀 80年代的西方海洋大國。波浪能具有能量密度高、分布面廣等優點，是一種取之不盡、用之不竭的再生清潔能源。

■ 呂錫民

地球上海洋占總表面積的 70 ％（圖片來源：http://ilovemyarchitect.com/tag/polamis/）

離岸式波浪能發電機組 Pelamis（圖片來源：http://ilovemyarchitect.com/tag/polamis/）

57科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一倍。但未來幾年，全球還會有超過 15百

萬千瓦（15 GW）波浪能發電裝置容量出

現。從現在到 2025年，波浪能發電若能達

到每年 2,000 TWh的電力產出，則可媲美目

前大型水力發電的規模。

全球各地波浪能的能量流密度（energy

flux density）差異相當懸殊，最豐富地區是

在太平洋和大西洋東海岸區域，在南北半

球的緯度 40∼ 60度之間，其能量流密度

可達 30∼ 70 kW／m（千瓦／公尺），有

些地方甚至達 100 kW／m以上，主要原因

是這個地帶的信風。但最不豐富地區的能

量流密度卻接近於 0。至於英國、葡萄牙

等國的海洋波浪能，能量流密度約為 40∼

60 kW／m。從上述數據可知，波浪能發電

成本有可能降至目前風能發電的水平。

台灣現況與展望

台灣是海島型國家，海岸線長約 1,500

公里，每年有半年以上的東北季風吹襲。

根據中央氣象局蒐集的波浪模式資料，

可推估西岸及西南沿海的波浪能較小（＜

10 kW／m），台灣海峽北部及東岸沿海地

區次之（5∼ 15 kW／m），澎湖西側海域、

巴士海峽、台灣東北部及東部外海的波浪

能則較高（15∼ 20 kW／m）。

離岸式波浪能發電機組 Pelamis每年可產生 2.2兆瓦的電能，足夠滿足 1,500個家庭用電的需求。（圖片來源：http://ilovemyarchitect.com/tag/polamis/）

以目前的波浪能發電技術而言，能

量流密度大於 10 kW／m的區域才具備

開發價值，例如 Palemis 的最低要求是

13 kW／m，同時須考量離岸的水深問題，

因此澎湖西北海域應是較佳的裝置區域。其

他高潛能的東北海岸及東部地區，則因土地

利用及地形的原因較不適宜開發。

相較於英國西岸、大西洋東海岸的波

浪能量流密度 20∼ 40 kW／m，台灣的波

台灣海域波浪能的評估

功率 （GW）

發電量kWh／p／d

海岸線（km）

能源密度（GWh／km／y）

東部海域 2.50 1.33 380 29.38

西部海域 1.28 0.68 460 12.41

北部海域 0.40 0.21 85 20.74

澎湖海域 4.02 2.13 320 55.88

合計 8.20 4.35 1,245 29.33

58 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

浪潛能明顯較低。但台灣地區波浪蘊藏量

約 1,000萬千瓦（也就是 10 GW），如果能善加利用及開發，或許可紓緩電力供應的壓

力。台灣面對能源多元化及永續發展的需要，

波浪能發電不失為一種可能的替代能源。

有關台灣地區波浪能的蘊藏量，以下

試做簡易的評估。依據經濟部水利署統計

資料，台灣本島海岸線長約 1,134公里，若含各離島的海岸線更長達 1,566公里，即使扣除沿海保護區後的海岸線仍超過 1,000公里。只要知道這些海域的波能密度，就可

計算出波浪能的潛力。

依據中央氣象局所提供的台灣沿海在

2008年的全年波高、周期可分別求得波長與波速，並可進一步算出單位寬度的波浪能

功率密度，也可得在一周期時間內，由海底

至波浪表面在波前進方向的平均能量通量密

度（單位是W／m）。

目前只能取得幾個觀測站的波浪資料，如

新竹、麥寮、鵝鑾鼻、龍洞、蘇澳、花蓮、成

功、大鵬灣、七股、澎湖等。試把海岸分為東、

南、西、北及澎湖五個海域，再依據海域內有

限的觀測資料估算平均波高、周期，然後依水

深計算平均波長和波速，最後再算出單位長度

波浪能傳遞功率。假設波高的變化呈韋伯分布

且分布因數是 2，則可依平均波高計算對應的尺度因數，並估算出波浪能傳遞功率。

波高積分的上、下限分別取 0 m與 5 m，因為以澎湖的最大平均波高 1.32 m而言，波高 5 m以上的機率已趨近 0，因此上限取 5 m應屬合理。把各分區加總後的結果顯示，在排除沿海保護區的蘊藏量後，上述海

域波浪的總功率大約為 8,800 MW，一天產生的總能量大約為 210 GWh，或台灣每人每天210 GWh／23 M＝9.13 kWh／p-d。

但上述能量需由適當機械轉換成電能，若

考慮以 Pelamis做為波浪能轉換機械，根據其操作曲線可知，周期小於 5秒的波浪，啟動波高必須大於 1 m；周期介於 5與 13秒的波浪，啟動波高則是 0.5 m。同樣以韋伯分布計算，所得的總功率是 8,200 MW。假設 Pelamis的功率轉換係數是 50％，則一日內可產生的最大能量是 100 GWh或 4.35 kWh／p-d（每人每天4.35度）。

我國波浪能源分布區域的研究資料顯示，

澎湖海域是深具開發潛力的波浪發電場所，

無論發電量或能量密度都冠於其他海域。若

配合風力發電與潮汐發電，特別是豐富的風力

發電，澎湖地區可開發成我國再生能源的示範

特區，尤其是可極致利用其獨立的地理位置與

多樣化的再生能源特色。

我國波浪能源分布區域的研究資料顯示，

澎湖海域是深具開發潛力的波浪發電場所，無論發電量或能量密度都冠於其他海域。

台灣波浪能分布區域示意圖

0.21 kWh／p／d（北部海域）

0.68 kWh／p／d（西部海域）

2.13 kWh／p／d（澎湖海域）

1.33 kWh／p／d（東部海域）

南部海域多是保護區域忽略不計

0 50 100 km

59科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

波浪能發電的關鍵技術

（1） 在初始的操作環境下，諸如海水腐蝕及惡劣海象，容易導致波浪能發電機組元

件失靈，因此長期可靠性待驗證。

（2） 隨機的波浪情況致使在有效設計波浪能發電機組元件時變得更加困難，機

組元件設計的轉換效益待評估。

（3） 不穩定的波浪能會使發電機組產生不穩定電力，造成使用者的不便。

（4） 與其他離岸技術比較，波浪能發電的技術較難，特別在繫泊、纜線連接、液壓

機械、電網併聯、能源儲存等方面。

（5） 成本高，採用振盪水柱式波浪能發電設計的裝置成本大約是風能發電機組

的 2倍，比起其他傳統能源發電的裝置成本更高。

（6） 效率低，例如使用於振盪水柱式裝置的空氣葉輪機，效率僅約 10∼ 30％，因此整體發電機組的轉換效率非常低。

（7） 可靠性不高，以目前振盪水柱式及鐘擺式採集系統的波浪能發電廠為例，

容易受到海浪損壞，其他形式的採集

系統也很少做過可靠性的測試研究。

待研發項目

針對上述的缺點，重視波浪能轉換的國

家紛紛投入新技術研發。以中國為例，已開

發出振盪浮子式轉換系統的能源儲存設備（能

量緩衝器），不僅降低了建造成本，提高了發

電效率，也有穩定的電力輸出。這個小型能

量緩衝器的容量是 15 kJ，已在波槽做過隨機波浪測試實驗，證實可成功輸出穩定的電力。

另外，設計出的振盪浮子式波浪能元件

經過波槽測試實驗，顯示其「俘獲寬度比」近

似於振盪水柱式波浪能元件設計，建造成本卻

比振盪水柱式元件的設計（相同規格大小）減

少 1／3。因此估計未來採用振盪浮子式波浪能發電的成本，會比採用振盪水柱式的

波浪能發電方式減少 40 ％。海底纜線及岸上電網連接器的成本很

高，造成波浪能發展的障礙。連接岸上的海

上電纜，平均 100公里的成本是 50萬歐元，裝設於離岸 100公里位置的波浪系統，電纜成本就高達總成本的三分之一。其次，電纜

須具備能吸收產生自波浪發電設備的電力的

能力，但目前許多海邊的電纜並無這功能。

未來應有的行動方案

海底電纜是所有海洋發電項目包括波

浪、溫差、海流，甚至離岸式風電的共同

基本設備，由於效率低、成本甚高，再加

上裝設不易，幾乎是所有海洋發電工程的

發展障礙。因此國內相關研究機關可儘速

進行海底電纜相關的研究計畫，除了研究

如何提高輸電效率、降低成本外，鋪設海

事工程也是一大重點。

英國是目前全球波浪工程技術的先驅，

可考慮與其合作開發這方面的關鍵元件，

例如振盪浮子元件 ─ Pelamis。另先導系統的建立可安排在較有潛力的地區，例如澎

湖西北海域或台灣東北海域。

誌謝

本文若干數據計算由昔日同事曾國棟

博士鼎力相助，在此特別致上十二萬分的

謝意。

呂錫民工研院能源與環境研究所（已退休）

60 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

「飛鼠部落」的孕育：1997 ～ 2000 年

1997年年初筆者剛到清華大學任教，當年 5月 6日以「從世界觀探討原住民中小學課程發展與教材教法設計」為題，在苗栗縣一個關於原住民教育的研討會中演講。這是筆者在部

落的第一場演講，也是第一次有機會和部落的老師族人一起吃飯聊天。只是半日的互動，卻

彷彿是到部落用「心」聽了族人一場無聲的演講。

回程中心中掛念著許多疑問：「為什麼從事科學教育的我，竟然從未知覺到原住民族部

落有這麼豐富的自然智慧？科學教育對原住民族學習者的意義是什麼？原住民族文化對科學

教育的意義是什麼？」

「飛鼠部落」網站的基礎研究就是從這場演講之後，1997年國科會（現今的科技部）補助的計畫「從以世界觀為基礎之竹苗地區泰雅族國中理化學習活動設計」開始。在部落經過

3年的田野訪談與踏查，教材模組設計與試教，2000年完成 25個以泰雅族世界觀為基礎的科學學習模組。

期間多次受邀至大專院校與不同縣市中小學演講分享，尤其是偏鄉。然而，受限於時空

的限制，無法親自應邀到每一場演講。2000年的一個下午，與「清蔚園」伙伴們的一場聊天，激發筆者把所開發的原住民科學學習模組放到網際網路的初步想法。

網路不暢通的網站：2001 ～ 2004 年

在 2000年，建立原住民族科學教育網站的確是一個非常新鮮的構想，因為那是一件很困難的工作。當時網路不像現在這麼普及，而位在偏鄉的原住民族學校的網路更是處於「網

路末端」的困境。當時在部落學校上網的情況很慘，通常開機連網之後，可以離開座位上洗

一九九七「飛鼠部落」網站整合了原住民族傳統智慧，

並落實多元文化教育的精神於科學學習，

是一個原住民族傳統智慧與科學學習的平台。

■ 傅麗玉

「飛鼠部落」

61科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

手間，中途和學校老師學生聊聊，再回到

電腦教室時，首頁還下載不到半個畫面。

這種困境反而是激發研究團隊鬥志的力量，

因為越有研究開發價值的工作，困難度越

高。勇敢地面對網路不通的現實，先處理

「飛鼠部落」網站的內容。

2001年國科會補助計畫「飛鼠部落網站：泰雅族世界觀導向之科學學習活動網

站開發與研究計畫 （I）（II）（III）」，讓我們在建置「飛鼠部落」網站的基本內容

時，也能開發網路結合實體的活動模式。

為了力求「飛鼠部落」網站學習內容的正

確，而且必須符合部落科學教育的需求，

即使部落的網路不通暢，也要想辦法請部

落族人檢視網站內容與網頁的流暢程度。

我們的做法是以遊覽車接送部落族人往返

清華大學和部落，邀請部落族人到清華大

學的電腦教室，在專人的協助下檢視網頁。

「飛鼠部落」網站的英文網址是 http://www.yabit.org.tw，中文網址是飛鼠部落 .台灣。「飛鼠部落」網站的基本學習區包括「部

落采風」、「飛鼠豐年祭」、「PaPak-Waqa 玩科學」、「飛鼠好閱讀」與「新聞報導」。

Papaq-Waqa在泰雅族語言中的意思是大霸尖山。「部落采風」與「飛鼠豐年祭」

提供進一步了解泰雅族部落生活的全貌，

也讓泰雅族學生與族人參與製作網頁，展

示學生以攝影機或畫筆所記錄描繪的部落

風光與生活實況。「PaPak-Waqa 玩科學」提供相關的科學遊戲，讓使用者感受到科

學學習與原住民族生活的緊密關係。「飛鼠

好閱讀」收錄與原住民族相關的國內外出

版書籍的簡介。「新聞報導」呈現原住民族

相關的新聞媒體報導。

1997年開始在原住民族部落進行教材模組設計與試教

「飛鼠部落」網站首頁註冊標誌，主要由 STS三個字母轉化成為一個飛鼠的圖案，STS代表「科技與社會」（Science, Technology and Society），字母的顏色採紅黃藍三原色，紅色象徵生命熱情，黃色

象徵大地陽光，藍色象徵自然天空。

62 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

實境和網路暢通的網站：

2005 ～ 2009 年

結合實體與網路的活動模式研發工作

持續進行，2004年獲得國科會補助計畫「整合「飛鼠部落」平台與衛星應用技術

之原住民科學教育學習模式研究（I）（II）（III）」。前後推動「衛星學院」、「我家門前有大河」，以及「部落有衛星」3個結合實體與網站互動的科學學習活動。

師生互動討論區　2004年「飛鼠部落」網站開始增設「衛星學院」學習區，前後

8年有一萬多位新竹地區的國中生上網，與網路導師討論課業問題。學生可以在網站

平台提出各種課業或生活上的問題，也可

以在網站上學習知識。網路導師會上網回

答問題，如果遇到無法回答的問題，也會

透過「衛星學院」支援系統請相關領域的

教授或專家幫忙回答。

雖然「飛鼠部落」網站是一個原住民科

學教育網站，整個學習平台充滿原住民文化

特色，但「飛鼠部落」網站的「衛星學院」

對不同族群、不同地區的國中生學習態度的

提升都有正向的影響。有些曾經參加「衛星

學院」的國中生在成為大學生後，主動擔任

「飛鼠部落」網站活動的志工。

兼具科學與文化學習的活動　2007年「飛鼠部落」網站辦理「我家門前有大河」

水質檢測活動，實驗地點在新竹地區的母親

之河 ─ 頭前溪，邀集新竹縣市頭前溪上游

在「我家門前有大河」的總結實體活動「頭前溪

向前走」中，參加學校的師生一起在頭前溪出海

口測水質。

2007年部落辦理「跨族群親子衛星科技學習營」，以部落的大自然環境為科學學習場域，幾乎每一梯次的報名都是快速額滿。不只可以看到家長帶孩子一起參加，還有祖母帶著孫兒一起參加。

63科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

落旅遊的休閒模式，發展適合原住民部落場

域的衛星科技應用的科普活動。結合科學學

習與原住民族部落在地文化，辦理原住民族

部落科學旅遊的產業活動。

躍上雲端的網站：2009 年～

2009年「飛鼠部落」網站開始推出雲端的科學學習活動，有 2009年開始的「原住民華碩科教獎」、2011年推出的「飛鼠部落科學動畫」活動，以及 2013年的「原住民族文化的學科教學模組雲端研習班」與

「WOLF教學模組產生器」等多項雲端活動專區。參與活動的人數總計超過 2萬人。

多元文化教學資源　筆者的研究團隊

於 2011年完成一系列「飛鼠部落」原住民族 3D科學動畫電影，同時在製作過程中首創「原住民族科學動畫 3D元件數位典藏資料庫」。本區不只提供教師「飛鼠部落」原

住民科學動畫的故事與科學相關影音教材，

而且各集有影片觀賞後的評量題庫，教師

可以帶領學生直接採用題庫進行評量。這

個題庫也是這系列科學動畫在電視播映時，

辦理大眾有獎徵答活動的題庫。此外，不

定期有飛鼠部落動畫雲端研習活動。

部落婦女學習認識部落的人造衛星圖，準備擔任部

落科學旅遊活動的導覽人員。

2009年「飛鼠部落」網站辦理國科會 50科學之旅科普活動 ─ 飛鼠部落衛星密碼與奈米世界。

至出海口，沿岸 7所國中不同文化族群三百多位師生參加，並與阿拉斯加的學校連線。

水質檢測實驗利用電子儀器測量河水水質，

包括酸鹼、溫度、混濁，利用電腦軟體分析

產生圖表，上傳實驗數據與圖表到「飛鼠部

落」網站，以便交流討論實驗結果。期間還

安排水質檢測儀器操作研習、頭前溪田野調

查、專家諮詢等實體活動。

最後的總結實體活動「頭前溪向前

走」，所有參加「我家門前有大河」的師生

順著頭前溪從出海口南寮出發，沿路一邊

聽不同族群的耆老說頭前溪的故事，一邊

完成頭前溪 7個測試點的水質檢測，終點是頭前溪的發源地尖石鄉。大家一起在尖

石國中吃泰雅族的竹筒飯午餐，一起玩泰

雅竹槍。參加「飛鼠部落衛星學院」的學

校中，有幾所學校曾在新竹縣科學展覽中

以水質與環境相關主題作品獲佳作、最佳

鄉土教材獎，甚至第一名。

整合科學學習與文化產業　「部落有衛

星」是「飛鼠部落」網站平台整合科學學習

與部落文化產業所推動的四年科普活動。以

原住民部落的自然生態、社會及文化內涵為

背景，以原住民族部落在地民眾或一般大眾

為對象，結合衛星應用科技學習與原住民部

64 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

原住民雲端科展　2009年台灣首屆原住民族雲端科學展覽「原住民華碩科教

獎 」（ASUS Indigenous Science Education Award，簡稱 AISEA），在「飛鼠部落」網站辦理，到 2013年進入第 5屆。全國原住民中小學生都可組隊報名參展，由一位學校

教師或原住民族籍人士擔任指導教師，不一

定要透過學校報名。參展作品的主題範圍包

括部落特產的文化與科學、部落手工藝的文

化與科學、部落植物的文化與科學、部落動

物的文化與科學、部落音樂的文化與科學、

部落母語的文化與科學。

不同於一般的科學展覽看板的形式，在

整個科展活動過程中，從報名到繳交作品，

參加的中小學生都不需要離開部落，因為整

個歷程都在「飛鼠部落」網站上進行。口頭

報告與評審問答也透過網路視訊進行，只要

在學校或家中就可以與評審委員問答。

每件作品有一位原住民耆老或原住民

文史專家與一位科學領域專家共同擔任評

審委員。初審階段，評審委員必須在「飛

鼠部落」平台的活動區審閱作品的研究報

告書面資料與研究歷程的 3分鐘短片。複審階段則由參展團隊學生提出 20分鐘遠距視訊口頭簡報，並且回答評審委員的提問。

WOLF教學模組產生器　2012年「飛鼠部落」網站中建置一套WOLF教學模組分享與製作系統，又稱「WOLF教學模組產生器」，以輔助中小學教師設計原住民

族文化的學科教學模組。使用者進入系統

後，輸入關鍵字就可獲得一套系統產生的

教學模組。使用者反應顯示，WOLF模組產生器具備可行性與可用性，有助於教師

以原住民族文化為基礎，發展學科教學模

組，引發更多教師專家以原住民族文化為

基礎研發更多學科教學模組，豐富中小學

校課程與教學的多元文化教育內涵。

雲端研習班　2013年 2月至 3月間，「飛鼠部落」網站開辦為期 8天的「WOLF教學模組」雲端研習班，之後繼續辦理數個

梯次，超過 100位來自全國各地的在職教師與師資生參加研習。參加學員在始業式時段

進「飛鼠部落」網站的研習區報到，並在研

習期間進入討論區發言討論，完成前後測問

卷填寫，準時於研習課程結束時繳交教學模

組製作成品，就可獲核給研習時數。學員完

成的教學模組作品都參加 2013年「原住民族世界觀導向教學模組」競賽。

教師學員與師資生學員的文字表達顯

示，無論師資生或在職教師都需要專業互

動，但礙於平日教學時間，教師的專業互動

需要更容易使用、更具彈性，且更有行動力

的平台。「飛鼠部落」網站的「WOLF教學

原住民族的傳統文化有其認知世界的方法，

透過各族的祖訓、社會組織、狩獵漁撈、禁忌、祭儀、樂舞等具體實踐並傳承。

「飛鼠部落原住民族 3D科學動畫系列」的「再探飛鼠部落」榮獲 2013年電視金鐘獎的「動畫節目」獎。

65科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

傅麗玉清華大學師資培育中心

原住民族的傳統文化有其認知世界的方法，

透過各族的祖訓、社會組織、狩獵漁撈、禁忌、祭儀、樂舞等具體實踐並傳承。

必須由部落的族人、耆老、學校與師生共同參與，

主動引導結合科學教育相關專業與資源，

才能永續推動真正符合原住民族所需的科學教育。

模組」雲端研習班正是符合這種需求的一個

平台。

根據 2009年公布的「原住民教育白皮書」，「原住民族科學教育」是原住民族教

育的重要議題。原住民族的傳統文化有其

認知世界的方法，透過各族的祖訓、社會

組織、狩獵漁撈、禁忌、祭儀、樂舞等具

體實踐並傳承。部落的親身經驗讓筆者認

知到原住民科學教育的研發與推動，必須

由部落的族人、耆老、學校與師生共同參

與，主動引導結合科學教育相關專業與資

源，才能永續推動真正符合原住民族所需

的科學教育。

「飛鼠部落」網站從部落文化的智慧

中萌芽，生根在部落的土地，不斷運用日

新月異的科技發展多樣化的原住民族科學

教育活動，拓展師生的科學學習經驗。不

只是教師的教學資源，也是一種多樣化、

行動化、彈性化與跨越時空的學習場域。

使用者依照實際教學或個人的需求，可直

接參與網站的平台活動，也能應用平台辦

理活動，甚至可以應用平台的活動模式，

自行在原住民族地區為學校或社區辦理學

習活動或學習型的旅遊產業活動。

「飛鼠部落」網站期望能讓大家看到

文化與科學的關係，族人能應用科技創造

屬於部落的產業與經濟。科學教育、科技

與產業經濟三者必須一體發展，科學教育

才有機會生根，部落的族人、耆老、學校

與師生也必須全體啟動參與的機制。部落的原住民中小學生與在清華大學的評審透過網

路視訊進行口頭報告與問答

諾貝爾化學獎得主李遠哲博士、行政院原住民族委

員會主委孫大川教授，以及傑出原住民族人擔任

2013年「原住民華碩科教獎」頒獎典禮的頒獎貴賓。

66 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

你可能還記得，2014年的年曆十分有趣：4月 4日、6月 6日、8月 8日、10月10日、12月 12日全都是星期五。其實，在 1986 年、1997 年、2003 年、2008 年，這些日子也全都是星期五；往後，2025年、2031年、2036年、2042年的同樣日子也會都是星期五。如果有興趣，你還可以繼續

往前和往後推算。值得提醒一下的是，這

些日子並非一定是星期五，譬如在 2005年它們全都是星期一。

此外，不同年的年曆還可能是相同的。

例如，1986 年和 2014年的一模一樣。不信你查查看？事實上，如果不考慮中國農曆，

印刷廠只需儲備 14種日曆模板就足以循環使用了。這些有趣的周期現象從本質上引

出了一個常識性問題：一年到底有多少天？

小學生回答說：365天。中學生回答說：365.25天。大學生回答說：365.2425天。研究生回答說：365.24242424天。小教授回答說：365.242190419天。大教授回答說：你問的是恒星年還是回歸年？

顯然這位大教授是懂點天文學的，他知道不同的曆法有不同的算法。

曆法趣談一年有多少天？小學生回答說：365天。中學生回答說：365.25天。大學生回答說：365.2425天。研究生回答說：365.24242424天。小教授回答說：365.242190419天。大教授回答說：你問的是恒星年還是回歸年？

■ 陳關榮

現在市面上所使用的日曆（圖片來源：種子發）

67科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

曆法用年、月、日和時、分、秒等單

位來計算漫長延續的時間，它可分為陽曆、

陰曆和陰陽曆 3種。陽曆就是太陽曆，基本歷年是一個回歸年（下面再詳細說明），

現時國際通用的西曆就是陽曆。陰曆又稱

為月亮曆，基本曆月是一個朔望月（即月

亮以正向然後背向圍繞地球旋轉一圈的時

間）。一年有 12個朔望月，其中大月 30天，小月 29天，目前的伊斯蘭曆屬於陰曆。陰陽曆的平均曆年也是一個回歸年，但曆月

是一個朔望月，其中設有閏月，這種曆法

與太陽和月亮的運動相符，中國的農曆就

是這種陰陽曆。

你現在應已感覺到了，曆法設置是很

複雜的。事實上，曆法的複雜性源於宇宙

中天體的自轉和公轉：地球本身在自轉，

同時環繞太陽公轉；太陽本身自轉，也環

繞某個遙遠的恒星公轉；這恒星自轉，同

時環繞另一個更遙遠的恒星公轉⋯⋯而且

所有這些自轉和公轉的速度都不均勻，它

們的軌道也都是橢圓形而不是圓形。看來，

只要這個茫茫廣宇中沒有一個完全靜止固定

的參照物，精確的曆法是很難制定的。

不管如何，人類日出而作，日落而息，

總需要一部大家都能認同的比較精確的曆

法。在經過漫長的測定、修改和演化後，恒

星年（sidereal year）和回歸年（tropical year）終於成為目前最普遍使用的兩個基本曆法。

恒星年是太陽在宇宙中返回到相對於銀

河系中某個遙不可及（因而可視為是幾乎靜

止）的恒星的相同位置上的時間，即太陽在

其天文軌道（稱為黃道）上的一個周期。天

文測定結果表明，整個太陽系約每 2.5億年便繞銀河系運行一周，因此稱為一個銀河年。

回歸年，也稱為太陽年，則是站在地

球上觀察太陽，看到它從黃道上某一點出發

運轉一周後，又回到原來位置點上所經歷的

時間。在黃道上所選擇的位置點至關重要：

從北半球的春分點出發的太陽年稱為春分點

年，對在黃道上所有的點取平均值的年稱為

平均回歸年。因為春分點受到多種不均勻運

動的影響，它在黃道上往後移動，以致回歸

年比恒星年略短一點：在 1900年兩者相差20.400分鐘，在 2000年則相差 20.409分鐘；在 25,786年的時間裡，它會帶來整整一個星期的時間落差，這就是所謂的「歲差周期」。

歲差周期（圖片來源：互聯網）

年初春分點

恆星年軌道 回歸年軌跡

年終春分點3月

太陽

12月

9月

6月

S

S

SS

N

23.5°

N

NN

68 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

目前大家使用的是陽曆。說起這陽曆

來，還真有點背景。古羅馬時代，凱撒大

帝（Julius Caesar, 100 BC- 44 BC）引進了後來以他的姓氏命名的西元曆法：一年 365天，每三年後有一個閏年（比平年多1天）。於是，如此推算 1,500年之後，每年的平均長度變成了 365.25 天，可見前面中小學生的回答是對的。在中國，南北朝的天文兼

數學家祖沖之（西元 429 - 500年）已經算出每年平均長度是 365.2428日。

此後，時間飛越了一千多年，來到了西

元 1582年。那個年代的天主教皇格里哥利13世（Gregorius XIII, 1502 -1585）生氣了：瞧，現在每年多了 0.25天，這樣下去，到12,000年之後，人們就得在一月份度過復活節，在秋天來臨時慶祝聖誕節了！於是

他決定直截了當從 1582年的日曆中刪去 10天，讓當年 10月 4日（星期四）的第二天成為 10月 15日（星期五）。

然後，教皇又把凱撒大帝超長的曆法

縮短：規定每年的二月分只能有 28天。這樣一來，他把每一年都變成了 365.2425天，於是前面大學生的回答也是對的。

然而教皇的決定並不令所有人都滿意，

因為他的修改只是讓曆法變得稍微短了一

點，其實每隔四年都得再加入一個閏年，

即插進 1天，曆法才會更準確。這時平均每年就有了 365.24242424天，這個數字讓前述那位研究生的答案取得了滿分。

前面還提及一位小教授，他知道教皇決

定讓每四年多出一天的閏年的方案是有問題

的，因為這個做法會讓每年多出 26秒。於是

天體運行的改變會影響到曆法的長短，因此很難有一個精確而穩定的算法。（圖片來源：種子發）

69科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

陳關榮香港城市大學電子工程系

他奉勸教皇，每隔 128年又需要扣掉一個閏

年才行。這樣一來，用每年 365.242190419

天來計算，400年將相差不到 3個小時 ─ 那

可是最精確的曆法了 ─ 於是它被沿用至今。

後來因科技日新月異，發展出精確無

比的原子鐘：1955年國際天文聯合會指定

了世界時（Universal Time），把一天 24小

時定為 86,400秒，其中 1秒的單位定為

銫 133原子基態中兩個超精細能階之間的

輻射躍遷所對應周期的 9,192,631,770倍的

持續時間，與地球自轉並不相關。即便如

此，由於不同原子鐘產生的時間略有差異，

因此國際原子時間是由國際度量衡總局取

六十多個國家的時頻標準實驗室原子鐘組

的平均值而得，並且每月公布一次。

2015年 2月，《自然 ─ 光學》雜誌報

導了日本東京大學的物理學家研製成功迄今

最精確的光晶格原子鐘 ─ 它精確到即使運

行 160億年，偏差也不會超過 1秒！四百多

年前的教皇當然無法想像，今天這一超級精

細的時間單位記時法，讓人們對目前最精確

曆法依然含有 3個小時的誤差無法忍受，儘

管它在 400年裡微不足道。

然而，不滿意也罷，你又能怎麼辦呢？

可能「閏年」加 1天這種修正太粗糙了吧？你在仔細琢磨後是否會提出：我們現在有原

子鐘了，來個「閏秒」怎麼樣？嘻嘻，前面

提到的那位大教授笑了：其實國際上早已有

閏秒的規定啦！根據原子鐘定義 1秒時，已規定在每年 6月 30日或 12月 31日的子夜必須微調，每次增加或減少 1秒鐘。

不過，世界上什麼事情都會有人反對。

2008年 4月，國際電信聯合會（International Telecommunication Union）對這做法提出了異議，要求停止閏秒方案，並希望到 2015年時能達成世界性的決議。你有點驚訝吧！

為什麼呀？那位大教授樂了：告訴你吧，天

文觀測發現，地球自轉正在加快。實際上，

世界協調時鐘最近已經不再添加閏秒了。

哎，你終於放棄了，不再奢望有一個

絕對精確的曆法。

光晶格原子鐘（圖片來源：互聯網）

70 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

很多科學家的愛情和科學事業緊密相連，表現了他們

的品格、情操和意志。愛情並不是抽象的東西，為了共同

的事業，男女二人願意同甘共苦、堅貞不渝，這就是愛情

的真諦。

發現「電磁感應」現象的英國物理學家兼化學家法

拉第（Michael Faraday, 1791-1867），出身在一個鐵匠的家庭裡，自己賣過報，當過圖書裝訂工廠學徒，經常

是囊空如洗，窮困潦倒。後來，他埋頭研究化學，其他

一概不顧。可是到 29歲時，遇到了一個銀匠的女兒，她叫莎拉．巴娜德（Sarah Barnard），這時法拉第的心情就不能平靜下來了，沒多久他們就成了終身伴侶。

由於法拉第一向的志願是做一個純粹的科學家，因而

僅僅靠著在皇家學院實驗室工作所得的微薄薪資來維持他們

的小家庭。法拉第經常感到內疚，因為他無法使妻子生活得富裕些。但是莎拉不愛奢侈，沒有世

俗的貪心，她從不責怪法拉第放棄致富的機會，貧困自守，毫無怨言，反而經常激勵他科學上的

上進心。她常對法拉第說：「我了解你恐怕勝過你自己。」法拉第自己也承認這一點，他在給

莎拉的信中寫道：「你懂得我的弱點，我的虛榮心，以及我整個的心靈⋯⋯」

就這樣，他們一直心心相印，相敬如賓。在法拉第患健忘症時，莎拉陪著他治療休養，

服侍左右，幫助法拉第重新走進實驗室，為科學事業做出了貢獻。

法籍波蘭裔物理學家居里夫人（Madame Curie, 1867-1934），通常稱為瑪麗．居里（Marie Curie），她和彼埃爾．居里（Pierre Curie, 1859-1906）是人們熟知的一對科學界賢伉儷。他們認識後的第一件禮物，就是彼埃爾．居里把他的新作〈論物理現象中的對稱原則：電場和

磁場的對稱原則〉獻給居里夫人。

一些科學家的愛情故事和一般人一樣，科學家在為科學奮鬥的道路上，也會走過愛情這段路程。

■ 蘇明德

發現「電磁感應」現象的英國物

理學家兼化學家法拉第。

71科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

他們的婚禮也與眾不同，沒有白禮服，

沒有金戒指，也沒有喜宴，更沒有宗教儀式，

且謝絕了男方父母贈送的家具，因為在他

們心中早已建立了為科學而奮鬥終身的信

念。這對我們現在很多人以多少全套家具、

多少台電器用品（洗衣機、電視機、冷氣

機⋯⋯），甚至多少房子、財產做為結合的

基礎，是多麼的不同啊！

後來，居里夫婦又一起尋找「鐳」。在

整個過程中，四年如一日，處理了三十多公

噸礦渣，經由溶解、沉澱和再結晶才提煉

出 0.1 g「氯化鐳」，證明了新元素 ─ 鐳 ─ 的存在。他們的愛情沒有在單調和艱苦的生活面

前減淡，反而如居里夫人給她姐姐信中所說

的：「我們在一起，過得越久，相愛越深。」

是事業高於愛情，還是愛情至上呢？這

是對愛情的態度問題。美國大發明家愛迪生

（Thomas Alva Edison, 1847-1931）就有過這麼一段趣談。1871年聖誕節下午，愛迪生和瑪麗高高興興地舉行了結婚典禮，也許是

人逢喜事精神爽吧！愛迪生對久久未能解決

的自動電報機，突然想出了新點子。他悄聲

地對新娘說：「瑪麗，我有點要緊的事要到

廠裡一趟，待會兒回來陪妳吃晚飯。」

後來，大家左等不來，右等不來，直

至晚上十點多，賀喜的客人陸續告辭回去，

還未見愛迪生的人影。後來還是一位工人

到廠裡找，看到愛迪生正在聚精會神地幹

活，他大喊起來：「原來你在這裡。」這時

愛迪生才如夢初醒，睜大眼睛問：「什麼

時候了？」工人答道：「已經 12點啦！」他大吃一驚，急忙往回家的路上奔去，一

邊跑、一邊說：「糟糕！糟糕！我還答應瑪

麗吃晚飯哩！」

愛迪生回到家中，看到瑪麗獨自悶坐，

他急忙說明了原由，新娘馬上轉怒為喜，

一肚子氣也就煙消雲散了。從此，瑪麗成了

愛迪生的貼心枕邊人，事事都為愛迪生著

想。愛迪生在實驗室搞發明，深更半夜回

來，一進門，有熱麵包吃；一拎壺，有熱咖

啡喝。他們的 3個孩子，個個教育得很好。這樣，愛迪生才能用百分之百的精力

投身於科學事業，發明新物品達二千多種之

多，單是1882年這一年中，就發明了141種。人們都說：「瑪麗是愛迪生的好『後勤』。」

前方打勝戰，有一半是「後勤」提供的支

法籍波蘭裔物理學家居里夫人，通常稱為瑪麗．居

里（左圖），她和彼埃爾．居里（右圖）是人們熟

知的一對科學界賢伉儷。

美國大發明家愛迪生

72 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

一般報導

援。因此，愛迪生這麼多的發明創造中，

應有瑪麗的一份功勞。

19世紀中葉，德國有一位叫柯赫（Heinrich Hermann Robert Koch, 1843-1910）的細菌學家，他不富裕，研究工作的條件

十分簡陋，就連最基本的儀器都要自己動

手製作，他一直盼望有一架能夠觀察細菌

的顯微鏡。

在他 30歲生日的那一天，妻子贈送給他一件禮物，他打開一看，是一架朝思暮想的

顯微鏡。原來他的妻子平時省吃儉用，用積

蓄下來的錢買給他的。柯赫真是如獲至寶，

欣喜萬分。從此，他更加專注於研究工作。

為了研究細菌，必須先進行培養。起

先，柯赫在馬鈴薯上繁殖細菌，細菌不能

自由地游動，各自固定在一個地方繁殖，

形成一個個單獨的菌群。但是馬鈴薯的養

分太少，不能使各種細菌都充分生長繁殖。

後來，他在肉湯裡培養，但它們又會自由

游動，使各種細菌混雜在一起，這樣就分

不出純粹的細菌了。

究竟用什麼東西能使細菌既取得營養，

又固定在一處繁殖而不相互混雜呢？這個

德國細菌學家柯赫

藉由妻子的幫忙，細菌學家柯赫找到洋菜來培養細菌，這方法至今仍在使用中。（圖片來源：種子發）

73科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

蘇明德嘉義大學應用化學系

問題使柯赫大傷腦筋。他妻子總想為他分

擔困難，也幫他一起思考這個難題，但始

終未能獲得解決。有一天，柯赫從睡夢中

醒來，在床邊踱步沉思自言自語地說：「什

麼東西既像液體，又像固體呢？」也許是日

有所思，夜有所夢吧！妻子在睡夢中被吵

醒順口回答了一聲：「那是洋菜。」又翻身

睡著了。

「對，就是洋菜！」柯赫突然豁然開

朗，他馬上推醒了妻子，點燃爐火，製作

洋菜⋯⋯洋菜果然是培養單種細菌的好辦

法，人們稱為「固體營養劑」。直到今日，

在每個細菌實驗室裡都還應用著它。

當年達爾文（Charles Robert Darwin,

1809 -1882）的「進化論」公諸於世後，立

即遭到宗教勢力的謾罵和打擊，曾經有人

譏諷地說：「是你的祖父這邊，還是祖母

這邊，是從猿猴進化來的呢？」達爾文除

了自己起來英勇回擊之外，還有兩位「知

音」時刻給他力量，一位是他的好友赫胥黎

（Thomas Henry Huxley, 1825 -1895），另一位

就是他的妻子 ─ 愛瑪（Emma Darwin，原姓

Wedgwood，1808 -1896）。

尤其是愛瑪對於達爾文花了 20年功

夫，走遍大半個地球蒐集來的資料，進而得

出的科學結論，是深信不疑的，堅定地站在

他這一邊，幫他抄寫筆記、整理書稿，為了

同一個理想共同奮鬥。愛瑪對達爾文說：「查

理，你會得勝的，《物種起源》這本書是你

最大的成功⋯⋯他們之所以反對你，僅僅只

是你冒犯了他們的上帝。」真理的聲音終於

淹沒了神學界的誹謗，達爾文的「進化論」

思想被越來越多的人接受。

也許我們能從科學家的愛情片段中吸

取到有益的營養！這正是筆者所願。

達爾文

達爾文的妻子愛瑪對於達爾文花了 20年功夫，走遍大半個地球蒐集資料所得出的科學結論深信不疑。

74 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

台灣新發現

MOST-supported Research

此圖要在文字下面

近年來，經常聽到各種流行疾病，如

SARS、流感、腸病毒、登革熱、狂犬病，乃至於最近的伊波拉病毒。大規模流行疾病

的爆發，不僅威脅人類的健康與生存，往往

也造成社會經濟的重大損失。面對這些細菌

或病毒等外來病原物質的威脅，我們可運用

人體的免疫機制發展抗體藥物來對抗。

人體的免疫機制可概分為先天性免疫

與後天性免疫兩種。先天性免疫是指人類與

生俱來的免疫細胞，如自然殺手細胞、巨噬

細胞等，可以廣泛地識別外來的入侵物質，

迅速與它反應並消滅它，這種免疫防衛反應

快但不持久。而後天性免疫反應較慢，但其

免疫細胞可以專一性地識別特定的入侵病原

物質（免疫學上稱為抗原，通常由蛋白質所

構成），同時對於交手過的抗原會有記憶，

當相同的致病物質再次侵犯時，便會快速大

量增生，加強打擊病原體的效果。

抗原蛋白質與抗體結合的部位稱為 B細胞抗原決定位，每個抗原蛋白質可能含有

一個或多個抗原決定位，也就是可被一種或

多種抗體所辨識。根據抗原的結構，抗原決

定位又分為線形抗原決定位及非線形抗原決

定位（也稱為構形抗原決定位）。線形抗原

決定位是指，抗原蛋白質以一級結構上一段

連續的胺基酸序列與抗體結合。倘若抗體與

抗原蛋白質結合時，同時接觸到立體摺疊的

抗原蛋白質表面上的多個三級結構，形成一

個複合立體結構，這種情況下與抗體接觸的

抗原部位，則稱作非線形抗原決定位。

若能事先預測較可能誘發抗體生成並與

之結合的抗原決定位的位置，就可以協助疫

苗或者抗體的開發，能在疾病爆發時，給予

患者立即的防護。因此，快速且準確地找出

病原蛋白質的抗原決定位就顯得格外重要。

早期的科學家以土法煉鋼的方式，合成

一段又一段抗原蛋白質的胜肽序列，並逐一

注入動物體內，觀察哪一段胜肽序列可以誘

發抗體的生成，以尋找有效生產抗體的抗原

決定位。但這種做法耗時、耗力又不經濟。

尋找 B細胞抗原決定位的利器

■ 李銘杰

在流行病爆發時，若能迅速製造對付各種病原蛋白

質的抗體並施打，就能有效控制疫情。

75科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

因此，科學家希望以電腦分析計算的方

式，挑選蛋白質序列上較可能誘發高效力抗

體生成的胜肽片段以供合成研究。但這一構

想首先就面臨如何挑選合適的胺基酸理化性

質，做為評估構成抗原決定位與否的難題。

有鑑於此，陽明大學生物醫學資訊研

究所鍾翊方副教授及蘇俊泓博士與印度統

計學研究院的 Nikhil R. Pal院士合作，開發一套資訊系統，可有效率地找出最佳的胺

基酸理化性質組合，以進一步運用於預測

線形抗原決定位的可能發生位置，再據以

開發合成胜肽序列，誘發抗體的生成。

鍾老師提到，抗原決定位有許多理化特

性，其性質組合和抗原決定位的形成有關。過

去的研究大多僅能逐一測量各種理化性質，當

要同時考量多種理化性質時，因組合類型較多

樣且複雜，往往無法有效地計算及評估各種理

化性質組合對於構成抗原決定位貢獻的多寡。

為了確認哪些理化性質扮演重要的角

色，以及哪種理化性質組合最能預測抗原

決定位的發生位置，研究團隊開發了一套

群集特徵篩選多層感知器，以群集的方式

同時考慮不同胺基酸理化性質的組合所造

成的影響。目前初步納入 8種最常用的胺基酸理化性質指標，交由電腦分析找出預

測抗原決定位的最佳組合。

蘇博士指出，要以這套系統找出最佳

的理化性質組合，除了必須提供抗原決定

位的相關資料外，也要提供非抗原決定位

的資訊，同時讓電腦去區別與學習，才能

準確地評估。研究團隊選取了 8個重要的胺基酸理化性質，以過去已由實際生物實

驗確定是抗原決定位的資料做為驗證基礎，

評估各種理化性質組合的表現。

此外，過去的研究認為若某兩個理化

性質各具有最佳預測抗原決定位的能力，

直觀地以為結合兩個理化性質就可獲得更

佳的預測力，實則不然。有時將具有最佳

預測力的兩個理化性質結合，卻無法有更

好的結果，這也是過去研究常遭遇的盲點。

這就好比調酒一般，在 8種材料的組合中，把最昂貴的兩種材料配在一起，不一定會

產生最令人接受與歡迎的風味。

這套系統可自行配對找出最佳的胺基酸

理化性質組合，以預測抗原決定位。希望藉由

此等前端電腦分析的模擬預測，提供可靠的線

索，以減少後端研究上人力、物力的消耗。期

待這系統早日為生物醫藥的研發做出貢獻。

李銘杰本刊特約文字編輯

以電腦分析計算方式，

自行配對尋找出有效生

產抗體的抗原決定位，

是科學家的首要目標。

（圖片來源：種子發）

76 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

台灣新發現

MOST-supported Research

此圖要在文字下面

智慧電網是一種以現代科技來偵測、

收集電力供應與使用狀況的輸電網路，藉

由開源與節流方式，達到節能、使用再生

能源、減少碳排放量的目的。而推動智慧

電網的過程中，偵測電力情況的數位電儀

表扮演了非常關鍵的角色。傳統的電儀表

主要功能在於計算能源使用量，分析結果

未必準確，更無法量測電力的品質。中央

大學電機工程學系陳正一助理教授設計了

有如人腦的數位電儀表，可以快速而精確

地計算電量與分析電力品質。

陳正一教授說，電和水一樣，也有品

質的好壞。在現代生活中，科技產品與電

力來源（風力、水力、太陽能、生質能源

等）的多樣化，往往導致供電有干擾現象，

影響電力品質。

一般而言，電力公司輸送出的電力是

漂亮正弦波的形式，一秒振動 60次。電力輸送到用戶端，難免有直流電和交流電的

轉換過程。譬如，電子設備使用直流電，

但市電插座提供的是交流電，轉換時就會

對電力系統端產生衝擊，造成電流波形的

改變。額外產生的電力成分會使充電插頭

溫度上升，除了造成設備的壽命減短外，

也代表能源的浪費，因為溫度上升就是把

能量耗損到空氣中。

以往科技產業尚不發達，電力品質汙

染不嚴重，因為沒有太多電力電子設備造

成干擾。而現代許多先進設備不僅是干擾

源，本身也易受到電力品質影響。加上智

慧電網投入再生能源的開發，也間接影響

到電力品質。例如，風力和太陽能的輸電

邁向智慧電網的

第一步■ 吳美枝

目前台灣主要還是使用傳統圓盤式的電表，而在舊

有機制下，加裝監控設備，進行全面性能源的檢

測，是達到節能目標的首要工作。

77科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

都是間歇性的，對電力系統會有干擾。尤

其太陽能是直流電，一般家庭卻是交流電，

當太陽能送過來就必須轉換。一旦有轉換，

就會有衝擊。因此，智慧電網雖以減少碳

排放量為目標，在執行過程中卻可能使電

力品質下降。

陳教授說，為了改善這些干擾現象，

第一步就是要有一個儀器能夠精準地測量與

分析。如果這個儀器可量測並分析這些干擾

現象，就可以啟動一些保護設備消除這些干

擾，進而減低傳輸過程中的能量浪費以及對

設備的衝擊。因此，他以類神經網路的原理

設計出數位電儀表來提升量測的準確性。

傳統電儀表使用機械式分析或簡易的數

學計量方式，當電力品質出現干擾情況時，

量測結果容易受到影響而不準確。陳教授以

類神經網路研發的數位電儀表卻擁有人腦般

的能力。所謂類神經網路，就類似人腦的神

經，可模擬人的行為。做法是想辦法訓練電

腦成為一個人，變成一個專家系統。在訓練

過程中，就像教孩子，不斷給它資料，讓它

學會分析，讓它知道什麼是干擾，並教它排

除干擾。訓練到一個程度，它會像人腦般，

神經傳遞得很快，進而做到即時反應。

陳教授研發的數位電儀表可排除干擾，

迅速而精準地計算出用電量。在未來的電

網中，為什麼精準那麼重要？他舉例說，

為減少碳排放量，必須讓民眾有主動節能

的想法。目前所謂的時間電價，是以使用

頻率來調整電價高低。未來的智慧電儀表

假使可以顯示目前的即時電價，就會提高

民眾主動減少用電的可能性。

此外，現在只有電力公司在賣電，未來

卻可能是民眾賣電給電力公司（例如家裡有

太陽能）。一旦牽涉到買賣，就必須有更精

準的儀器來測量。其實，未來的智慧電儀表有

很多功能，精準是一項不可或缺的設計因素。

而陳教授以類神經網路導入電儀表的設計，

有助於智慧電網跨出一大步。

吳美枝本刊特約文字編輯

未來的智慧電儀表假使可以顯示目前即時電價，就會提高民眾主動減少用電的可能性，進而達到節能減碳的目的。

（圖片來源：種子發）

7978 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

圖片對齊左邊

參考資料：最後不需加句點解酒荷爾蒙

酒精會造成身體行動機能失調，因為酒精會強化大腦的迦瑪氨基丁酸（GABA）系統。那個系統以 GABA為神經傳導物質，主要功能是抑制神經衝動。酒精會增強 GABA對一個特定受體的作用。現在澳洲雪梨大學的研究團隊以大鼠做實驗，發現催產素能降低酒精的影

響。以通俗的話來說，催產素可以解酒。

催產素是最近十多年最受大眾媒體青睞的荷爾蒙，因為催產素不只與生產有關。許多實

驗顯示，催產素能讓我們更有同理心，更樂於給予支持，更自在地表達感情。這些都是使愛

情恆久的條件。在戀人的腦子裡，催產素的增幅非常大；熱戀情侶腦內產生的催產素是懷孕

婦女的兩倍。因此催產素俗稱愛情荷爾蒙。大腦中有專門的催產素受體。

最近科學家還發現催產素可以幫助人戒酒，但是機制仍不明。雪梨大學團隊的實驗顯示，

催產素可以減輕酒精對於GABA系統的增強作用，以及酒精造成的運動失調。研究人員證明：催產素的這一功能並不透過催產素受體，而是直接介入酒精與 GABA系統的互動。不過，研究人員強調，催產素不會降低血液中的酒精濃度。換言之，催產素無法助人通過酒測。

參考資料：Bowen, M. T. et al. (2015) Oxytocin prevents ethanol actions at δ subunit - containing GABA A receptors and attenuates ethanol - induced motor impairment in rats. PNAS, 112 (10), 3104 -3109.

芬蘭浴心肌梗塞通常沒什麼前兆，而且大多在醫院以外的場所發生，死亡率相當高。因此釐清

生活形態中的保護因子供大眾參考，有助於降低發作心肌梗塞的風險。

過去學者已發現芬蘭浴能促進心血管與循環功能。最近東芬蘭大學的團隊完成的一個調

查，顯示芬蘭浴不僅能讓人出汗，還能保護心臟。研究人員把受調查的人分為 3組：每周 1次芬蘭浴、每周 2∼ 3次、每周 4∼ 7次。平均年齡 53.1歲；追蹤年的中位數是 20.7年。結果，他們發作心肌梗塞的比率分別是：10.1 ％、7.8 ％、5 ％。死亡人數合計，3組比率也不同：49.1 ％、37.8 ％、30.8 ％。以致命性冠心病而言，每周 2∼ 3次芬蘭浴，風險降低 23 ％；每周 4∼ 7次則降低 48 ％。

參考資料；Laukkanen, T. et al. (2015) Association between sauna bathing and fatal cardiovascular and all-cause mortality events. JAMA Intern Med, published online February 23, 2015. doi :10.1001 /jamainternmed.2014.8187.

科技新知

▍王道還

7978 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

圖片來源：種子發

我們都是基改生物關於生物遺傳，我們一向著重垂直轉移，也就是基因在世代間的傳遞。例如我們的基因

組來自父母、祖父母，以及曾祖父母。現生物種中，我們與非洲黑猩猩血緣最近，基因組來

自同一祖先，最晚 600萬年前才分別演化。不過，生物也可以透過「水平轉移」機制獲得新奇的基因。例如令公衛專家憂心的微生

物「抗藥性基因」，便會透過水平轉移機制傳播到不同品種，甚至不同物種。不過，水平轉

移機制在複雜生物的演化中扮演的角色並沒有受到重視。學者熟悉的少數例子，限於昆蟲從

真菌或細菌取得基因，以合成保護色素或解毒劑；或是其他無脊椎動物從寄生或共生微生物

取得基因。脊椎動物的例子很少。即使有人報導在人類基因組裡發現了水平轉移的基因，學

界反應仍以懷疑為主。

最近，英國劍橋大學的一個團隊分析了果蠅、線蟲、靈長類等合計 26個物種的高品質基因組資料，並以較簡易的方法分析了其他 14個物種的基因組。結果，他們發現了幾十個、甚至上百個水平轉移的基因，大部分是涉及代謝機轉的酶。分析結果顯示，果蠅與線蟲一直

透過這一機制取得外源基因。但是靈長類（包括人）的外源基因大部分都非常古老，大約都

是在脊索動物的共祖出現後、靈長類共祖出現前獲得的。他們除了釐清先前在人類基因組中

發現的 17個外源基因外，另外發現了至少 128個新的例子。至於外源基因的來源，則是細菌與原生生物。

總之，雖然真核生物基因組中的外源基因數量比較少，但是並不罕見。例如 ABO血型源自一種糖基轉移酶基因（GT6），這個基因可能來自細菌，原始功能在促進細菌與脊椎動物的互利共生。

參考資料：Crisp, A. et al. (2015) Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes. Genome Biology, 16 (50), doi :10.1186 / s13059 - 015- 0607-3.

以抗癌藥治療脊髓損傷德國波昂神經再生疾病中心的團隊以大鼠做實驗，發現低劑量的抗癌藥 epothilone B

（epoB）可以促進受損神經纖維再生，改善運動機能。epoB是細胞內微小管抑制劑，可以阻滯癌細胞分裂。但是在中樞神經系統受傷的地方，epoB可以抑制疤組織產生，而疤組織是受損神經元復原的最大障礙。另一方面，epoB對微小管的作用成了受損神經纖維復原的推手。

參考資料：Ruschel, J. et al. (2015) Systemic administration of epothilone B promotes axon regeneration after spinal cord injury. Science, DOI : 10.1126 / science.aaa2958.

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圖片對齊左邊

參考資料：最後不需加句點

科技新知

習慣成自然2000年，美國小兒科學院建議家長，有過敏體質的嬰兒在 3歲以前，不應餵食花生食品。

不過，2008年這一準則就撤消了。因為在美國，兒童對花生過敏的病例數一直增加，由 1997年的 0.4 ％，2008年 1.4 ％，到 2010年超過 2 ％。在美國，因食物過敏而就醫、死亡，都以花生為禍首。同時，對花生過敏的兒童越來越多也是個世界趨勢，特別是飲食西化的國家。

2008年，英國倫敦國王學院的一個團隊注意到：倫敦猶太兒童的花生過敏盛行率是以色列猶太兒童的 10倍。研究人員認為，那是因為在倫敦兒童在 1歲之前不會接觸花生食品；而在以色列，並沒有這樣的禁忌。

於是這個團隊設計了一個實驗，招募 4∼ 11個月大的嬰兒參與。這些嬰兒必須有過敏體質，例如溼疹或對蛋過敏。再以皮膚測驗判斷他們對花生的過敏程度，排除嚴重過敏的嬰

兒。最後，參與實驗的嬰兒分為兩組，一組每周攝取至少 3次花生蛋白質（合計 6公克）（注）；另一組則避免花生食品。孩子 5歲大的時候，研究人員讓每個孩子一次吃下 5公克花生蛋白質，觀察他們的反應。

結果令人印象深刻。一開始對花生並無過敏反應的嬰兒，5歲時對花生過敏的比率是：禁食組 13.7 ％；餵食組 1.9 ％。而一開始就對花生過敏的嬰兒，則是 35.3％ vs. 10.6％。

注：8粒花生大約含有 2公克花生蛋白質。參考資料；Gruchalla, R. S. and H. A. Sampson (2015) Preventing peanut allergy through early

consumption ─ ready for prime time？ N Engl J Med, 372, 875 - 877.

飢餓與購買欲餓了就會找東西吃，這是本能，孔老夫子稱它為「性」。但是飢餓會不會激發其他的欲

望？例如購買與食物不相干的東西。因為飢餓會促使人尋找、消費食物，也就是使人起心動

念「尋找、獲取」。針對特定物品的起心動念，會不會使人更容易注意到其他物品的吸引力呢？

為了回答這個問題， 美國明尼蘇達大學商學院助理教授徐靜的團隊做了幾個實驗。研究人員還到一家大型百貨公司出口處訪問了 81位顧客，請他們出示購物發票，並請他們評估自己的飢餓程度與心情。結果，飢餓指數超過中位數的人，也就是比較飢餓的人，花在非食物

物品上的錢比其他人多。即使把心情與購物時間都納入考慮，飢餓程度仍然是最重要的變數。

參考資料：Xu, A. J. et al. (2015) Hunger promotes acquisition of nonfood objects. PNAS, 112, 2688 - 2692.

8180 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

圖片來源：種子發

王道還中央研究院歷史語言研究所人類學組

自戀的起源希 臘 神 話 中， 俊 美 又 高 傲 的 納 西 色 斯

（Narcissus）是河神的兒子。他拒絕了愛上他的仙子，卻愛上自己在水面上的倒影。他作繭自縛，難

以自拔，憔悴而死。後來心理學家以他的名字指涉

一種人格特質，常用的中文是「自戀」（narcissism）。臨床心理醫師報導過極端自戀的案例，但是我

們大概在電影或小說中才會碰到那種異常人格。事

實上大多數人都有或多或少自戀傾向，表現模式也

不同。自戀的人自覺高人一等，幻想自己成就了大

事，應受到特別待遇。自戀的人要是受到羞辱，往

往反應激烈，甚至訴諸暴力。他們的心理健康容易

失衡，後果包括毒癮、抑鬱、焦慮。此外，學者發

現自戀的人在西方社會比較多，比較顯而易見；而

且最近幾十年西方年輕人的自戀程度穩定增長。

不過，關於自戀的起源，我們還不太了解。流行的理論有兩個：一個是社會學習理論，一

個是心理分析理論。根據社會學習理論，受到父母過度讚美的孩子，容易形成自戀人格。孩子

在成長過程中，把父母看待自己的眼光內化，深信自己受「上天的恩寵」，有權享受特權。心

理分析理論則主張：父母不看重的孩子比較容易形成自戀性格。他們特別看重自己，希望贏得

別人讚許，以補償在家裡受到的冷落。

最近一個荷蘭研究團隊追蹤了565個7∼12歲的孩子，那正是孩子形成自戀心理的關鍵期，以觀察父母對孩子的影響。他們注意的焦點有二：父母對孩子的評價，以及父母對孩子的態度。

研究人員預測：過度評價會使孩子產生自己與眾不同的認知，因而變得自戀。但是自戀的人未

必是對自己滿意的人，對自己滿意的人自尊心強，自尊與自戀是自我的不同面相。自尊的人認

為自己很好，自戀的人則是熱情地想望自己很好。研究人員想知道：養成自戀心理的社會化經

驗是否也能培養自尊？

結果研究人員發現，父母對孩子的過度評價可以預測孩子的自戀指數，卻不能預測自尊。

而父母對孩子的態度，無論根據孩子的評估，還是父母自己的評估，也不能預測孩子的自戀指

數。但是，孩子對父母態度的感受可以預測孩子的自尊指數。這表示孩子的主觀感受（父母對

自己的態度）才是塑模自尊的力量，而不是「父母接受自己」的事實。

總之，這個研究的發現支持社會學習理論。

參考資料：Brummelman, E. et al. (2015) Origins of narcissism in children. PNAS, published ahead of print March 9, 2015, doi : 10.1073 / pnas.1420870112.

納 西 色 斯， 義 大 利 畫 家 Caravaggio（1571 -1610）的作品。

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科學

技術與社會

單元大標對齊左邊

2015年，新春，看著電視的食安新聞，有「似曾相識」的感覺。雖然話題已經從

劣質油品轉到一家知名大廠的政商關係，

但評論者的手法和言語卻與幾年前檢討塑

化劑的差不多，不外要求政府出面處理，

為民眾把關，口味重鹹，態度激動。

對政論節目與名嘴文化已有學者批評，

在此不論。做為醫療與社會的研究者，我

關心政府如何因應。記得 2013年的食品風暴中，國家生技醫療產業策進會（生策會）

以「革新與再造」為名舉辦論壇。講者來

自產官學界，從體制面、產業經營面、民

眾權益面共思如何「架構完善的產業鏈之

風險管理體制」。該論壇也以建言方式，要

求政府加強食品添加物的風險評估、源頭

管理、建立安全事件的風險等級與處理標

準作業流程，以及雲端警示系統。

幾周後我出席由臺灣大學「風險社會

與政策研究中心」舉辦的食安論壇，該論

壇也網羅產官學界的與會者，從企業倫理、

健康管理，以至於媒體與衛生治理等角度

探討食安問題，同時推出〈食品風險治理〉

宣言，疾呼政府成立跨領域的「環境及健

康倫理委員會」，並規劃查核體制與管制配

套，以建立民眾信心。

雖然兩個論壇一個較有官方色彩，一

個主張獨立批判，但它們有許多共通點。

首先，它們都指出食安不是單一事件，而

是結構性問題的累積。從 2004年的戴奧辛汙染牛乳、2005年有孔雀綠石斑魚、戴奧辛鴨蛋與美國牛肉，到 2008年的三聚氰胺、2011年有塑化劑與隔年的瘦肉精，食安已成為「台灣社會每年必需的『行事曆』」。

此外，它們認知食安問題並非個別單位所

能處理。「革新與再造」論壇督促政府以食

品為中心，橫跨上下游來管理，風險社會

與政策研究中心則主張跨領域管制，強調

橫向聯繫的強化。

不管藥方為何，專家看到食品是考驗

政府威信的指標。不但如生策會疾呼「重

新檢視與再造總體產業風險管理體系」，甚

至有團體力主下猛藥，用高標準的優良製

造標準（Good Manufacturing Practice）讓食品跟藥品一樣可靠。

但以下我用幾個當時的熱門事件，說

明民眾感受的食安危機有時不是政府管得

著，或者是有法可管，但不見得呼應期待

的複雜狀況。以某個標榜使用天然酵母，

採取自然烘焙的高價麵包坊來說，它一度

造成門市大排長龍，一品難求的盛況，但

感官世界 ─ 食品安全、信心危機與

「標示不清」的身體感

▎郭文華

8382 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

終究有顧客質疑它使用人工香精，哄抬售價，

引起衛生單位注意。稽查後證實業者使用人

工香料，與其宣稱不符。

即便如此，因為食品並未危害人體，衛

生局只能依「食品衛生管理法」第 28條第 1項的規定：「食品、食品添加物、食品用洗潔

劑及經中央主管機關公告之食品器具、食品

容器或包裝，其標示、宣傳或廣告，不得有

不實、誇張或易生誤解之情形」，處以麵包

坊 18萬元的罰鍰。這種判決與民眾的預想大相逕庭，得到網路上的痛批：「區區 18萬元對一家年營業額達 6億的業者來說，根本不痛不癢，試問如何收嚇阻之效？」

同樣狀況發生在以「鍋底外帶」打出名

號的高價火鍋店。店方宣稱用 32種中藥精心配製的天然湯頭，被發現僅是用味精、大

骨粉等調出來的便宜貨。雖然如此，衛生局

卻只能先就「宣傳不實」部分罰款 20萬元。而更令人不能接受的是，隨後抽查該店使用

的食材並未驗出防腐劑或農藥殘留，符合相

關規定，該店因此聲明「感謝主管機關積極

的調查，釐清事實的真相」，還給該餐廳集團

「清白」。

就法論法，這些店家確實只有「標示不

清」，似乎沒有像過去販售失明假酒那樣駭人

聽聞，或者像這次以飼料油混充食用油那

樣惡質。但仔細再想，它們鑽法律弱點，

迎合顧客對精緻料理的渴望，把下腳料混

充高檔貨，以快速沖泡取代慢工細活，卻

沒有得到應有的制裁，或許更讓民眾感到

不平。想想曾經搶過美味麵包，分享「小

確幸」的部落客，好不容易上個館子，用

高價養生鍋犒賞自己的上班族，這些造假

不但讓這些人暴露在健康風險下，更摧毀

他們對生活的美好想像。

「客觀」的科學論述不能抒解這些怨

懟。還記得混油事件時某醫師立委指出，

油品如果能通過檢驗就不能說有問題，否

則政府無法做事。的確，政府管制有極限，

也不能無限上綱，但這種說法讓人覺得這

些代表不知疾苦，缺乏同理心。於是，風

暴中推出掛保證的「未檢出」並未平息民

怨，反讓他們質疑政府放任既非黑心也非

好貨的產品逍遙法外。

歸根結底，這種危機不是政府出岔錯，

也不是科學造假，而是揉合品味建構、食

物規範與身體感知，複雜的科技與社會情

境。一味說這些「灰色產品」沒事，不代

表民眾會心平氣和地接受自己的荷包被欺

騙，口味遭譏笑。

8584 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

科學

技術與社會

對於這一點，經濟學家朱敬一的觀察

值得分享。在〈食安問題不只是科學問題〉

一文中，他指出管制的極限，也了解民眾

的憤怒，但對如何重建信心他回歸飲食基

本，提出感官的重要。以還原乳來說，從

「目的實用主義」看，如果它讓人喝不出

其與鮮乳的差別，也就不用太在乎它是否

是「奶粉加水」的假鮮乳。但如果有精細

的感官訓練，知道要看這個奶打不打得出

咖啡的奶泡，就會知道差異。同樣的，放

山雞蛋比一般雞蛋貴 3倍，但是比較緊緻，生蛋黃也較不腥，試過就知道。

這個道理不難懂。顧客愈知道產品，

愈不容易受騙上當，無論是手機、珠寶，

或者是掃把、拖鞋都是如此。但從現實面

來看，不是人人都是天生的「豌豆公主」，

身體敏感到什麼都感受得到。於是我們仰

賴美食部落客、美食家、專業的品酒師與

咖啡師等，用他們的經驗來鍛鍊品味。事

實上，在這次的食安風暴中，一些人也因

為曾經幫這些廠商背書，賠上自己的公共

形象與聲譽。

但這不意味政府可以對此「感官世界」

就此放手。朱敬一認為政府可以要求廠商標

示成分，比方說鮮乳與果汁含量，協助使用

者掌握品質。但是這些畢竟是人為規定，在

這之上便需回歸感官與市場機制。這樣說，

過去食物的價值依價格來決定，貴的總有三

分好。但是在這些餐廳自毀商譽，以劣等貨

混充高檔食材後，民眾最需要的不是政府的

全面介入，而是重新整理人與食物的關係，

用身體而非標籤來體會食材。

這個社會關係用學名藥管制為例來說

明就很清楚。醫療史學者 Jeremy Greene在Generic:The Unbranding of Modern Medicine

中整理學名藥起源，指出這些藥並非一味

我們常仰賴美食專家或是他人的經驗談，判斷食物

的美味與否。（圖片來源：種子發）

8584 科學發展　2015年 4月│ 508期科學發展　2015年 4月│ 508期

「模仿」品牌藥，也不只是「山寨」版新

藥，用低價打壞市場。環繞在「藥效相同」

（therapeutic equivalence）的研發主軸上，

這些藥廠一方面與法規單位協調標準制定

（與新藥的臨床試驗不同），一方面建立自

己的製造優勢，在嚴苛的法規競爭上勝出。

即便如此，決定學名藥是否「有用」的

關鍵還是使用者 ─ 保險公司、醫院、醫師、

病人。標準是建構的，買賣有市場機制，但

對藥品的信心是一連串身體體驗與醫病互動

所形成的，這是學名藥概念的核心。

回到食品。政府固然在食安問題上責

無旁貸，但就如同學名藥管制一樣，可以

管理協商藥效範圍，可以在不影響商業機

密下要求公開產品資訊，可以介入價格，

但最終還是要給使用者體會、感受與自由

選擇的空間；食品的信心機制奠基於此。

在追隨辛辣名嘴，要求政府的同時，我們

是否早已忘記缺乏感官鍛鍊，對民主囫圇

吞棗，亟待再教育與再發現的身體？

我想起幾周前的場景，在巴黎，在詢

問飯店的斯里蘭卡門房為何某個傳統肥皂

的包裝跟我在網站看到的不同時，他沒接

腔，只把肥皂拿過來聞了一聞，肯定地說

「客人，沒錯，這就是你要的東西」，眼神

毫無遲疑。

郭文華陽明大學科技與社會研究所

聲明啟事

《科學發展》月刊第 507期〈排灣族的山林智慧與植物知識〉一文中有關山梔子、胡頹子與葛之學名陳述有誤（Gardenia jasminoides ellis、Formosan Elaeagnus、Puerarialobata）正確者應為：Gardenia jasminoides Ellis、Elaeagnus formosana Nakai、Pueraria lobata，特此更正。

華國媛、華阿財 謹啟

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