研之有物：格物窮理！中研院的25堂數理科學課

　　天文與地理╳電腦與數學╳材料與應用
　　25堂令人欲罷不能的數理科學入門課

　　★中研院在格陵蘭有座超大望遠鏡！拍到黑洞為什麼很重要？
　　★不只是活火山，大屯山底下還藏著一個岩漿牛奶罐？
　　★有影片有真相的時代已過，生成式AI帶來哪些信任危機？
　　★好吃的愛玉如何結膠？愛玉也能成為食品業和生醫材料的好幫手？
　　★光學微影如何縮小半導體元件尺寸，「拍出」奈米級積體電路？

　　從黑洞到地震，從生成式AI到奈米鑽石，從半導體到淨零科技……
　　跟著諾貝爾物理獎得主丁肇中、浸潤式微影技術之父林本堅等25位數理科學家，
　　一起上天下地，探索萬物之謎！

　　中央研究院數理科學組匯集臺灣頂尖學者，研究範圍涵蓋數學、物理、化學、地科、資訊、統計、原子與分子、天文、應用科學、環境變遷等領域，是世界級的數理科學研究重鎮。

　　透過《研之有物：格物窮理！中研院的25堂數理科學課》，中研院研之有物團隊以25位科學家的研究成果為藍本，帶領我們參訪臺灣最高學術殿堂，將艱深的學術論文轉譯為淺顯易懂的科普知識，一窺中研院在數理科學領域的重大突破與創見。

　　本書採訪、收錄以下中央研究院學者團隊之研究成果（依文章序排列）：
　　陳明堂（天文及天文物理研究所研究員）
　　賀曾樸（院士、天文及天文物理研究所通信研究員）
　　陳科榮（天文及天文物理研究所助研究員）
　　丁肇中（院士）
　　王寳貫（院士、環境變遷研究中心通信研究員）
　　周崇光（環境變遷研究中心研究員）
　　許雅儒（地球科學研究所研究員）
　　鍾孫霖（院士、地球科學研究所特聘研究員兼所長）
　　黃信樺（地球科學研究所副研究員）
　　趙丰（地球科學研究所客座講座）
　　李國偉（曾任數學研究所研究員）
　　廖弘源（資訊科學研究所特聘研究員兼所長）
　　古倫維（資訊科學研究所研究員）
　　陳駿丞（資訊科技創新研究中心副研究員）
　　黃彥棕（統計科學研究所研究員）
　　張煥正（原子與分子科學研究所特聘研究員）
　　謝雅萍（原子與分子科學研究所副研究員）
　　陳壁彰（應用科學研究中心副研究員）
　　陳彥龍（曾任物理研究所研究員）
　　尤嘯華（化學研究所研究員）
　　林本堅（院士）
　　張文豪（應用科學研究中心特聘研究員）
　　林麗瓊（院士）
　　周美吟（中央研究院副院長、原子與分子科學研究所特聘研究員）
　　施敏（院士）

名家推薦

　　冬陽（央廣《名偵探科普男》主持人）
　　陳璽尹（台灣科技媒體中心執行長）
　　焦傳金（國立自然科學博物館館長）
　　黃俊儒（國立中正大學通識中心特聘教授、臺灣科學媒體協會理事長）
　　趙軒翎（《科學月刊》、《科技報導》執行總監）
　　——專業推薦（依姓名筆畫排序）
 

作者簡介

中央研究院｜研之有物編輯群

　　研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易•家人》：「君子以言有物而行有恆。」盼以具體的研究案例、真實的研究員生活，揭開中央研究院神祕的面紗，讓人們了解研究成果如何應用到生活中，繼而體會研究的價值與重要性。

　　中央研究院以理論結合實作、專業結合想像力，探索生活中各種問題的答案。每個研究成果，都不只是一篇論文，而是推進生活邁向永續的動力。惟鑑於論文的專業嚴肅性，難以令社會大眾親近、了解研究的意義與樂趣。因此中央研究院於2017年推出「研之有物」科普網站，期待成為中央研究院與社會大眾的橋梁，將論文轉化為親民易讀的報導，讓知識走入人群，邀請大家一起永保好奇心，探索這世界！

　　曾出版《研之有物：穿越古今！中研院的25堂人文公開課》、《研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課》。

　　Facebook、Instagram｜研之有物
　　網站：research.sinica.edu.tw/
 

Lesson 16 鑽石不只能求婚，還能用於生物醫學！——國產螢光奈米鑽石

螢光奈米鑽石是什麼？

螢光奈米鑽石是一種新型的奈米材料，鑽石製作成奈米等級大小，經過特殊處理，就能發出螢光。中央研究院原子與分子科學研究所的張煥正特聘研究員，運用師承自李遠哲院士的離子束技術，製作出世界首創的螢光奈米鑽石，可用來追蹤生物分子、攜帶藥物以及標示幹細胞等生醫用途。螢光奈米鑽石因為含有碳、氮元素，與人體有高度相容性，毒性低，光激發之下可放出700奈米的紅色螢光，很適合活體組織成像，目前螢光奈米鑽石已經實際用在動物實驗的研究。

Q：螢光奈米鑽石和一般鑽石有什麼不同？

首先我們從鑽石的結構談起，鑽石為sp3結構，也就是碳原子以四面體的方式架構，每個碳原子都與另外四個碳原子相接。這種堅固嚴密的四面體，讓鑽石成為自然界中最堅硬的物質。

因為鑽石碳原子的結構緊密、形成的晶格很小，其他較大的原子不易摻雜；自然界中最常見的雜質是和碳原子大小相近的氮原子、硼原子，這些雜質也是彩鑽形成顏色的原因之一。奈米鑽石的結構和一般鑽石相似，但透過一些加工方法，可以讓奈米鑽石發出具有利用價值的光芒。

首先，我們用高溫高壓將碳元素合成奈米鑽石粉末，接著利用高能量的電子束或離子束轟擊，讓結構中產生空缺。再高溫加熱，促使空缺移動到摻雜的氮原子旁，形成「氮—空缺顏色中心」（nitrogen-vacancy color center, NV），就成為會發光的「螢光奈米鑽石」。我們把它的英文命名為Fluorescent Nanodiamond，縮寫FND。

奈米鑽石可以發光，關鍵是因為有「氮—空缺顏色中心」。當含有「氮—空缺顏色中心」的奈米鑽石受到黃綠色光（波長500至600奈米）照射，會發出波長大約是700奈米的紅光，這紅光可以透過光學顯微鏡偵測到。

Q：螢光奈米鑽石有什麼功用？

螢光奈米鑽石所含的碳和氮，都是生物體內最常見的元素，因此與生物體具有高度的相容性，經檢測也發現這種材料的生物毒性非常低。所以我們可以把螢光奈米鑽石放到生物體內，藉由它所發出的紅光，來追蹤生物標的，例如幹細胞、免疫細胞等等。