本文三大重點：
► 綠色材料的定義為對環境負荷最小、對人類健康無害的材料，如木質素燃料電池賦予造紙業副產物新生命，開發和量產製程不會破壞當地環境又符合經濟效益。
► 材料被使用時的狀況、去處應該完整考量，像是玻璃、寶特瓶、植物等材料組成單純，使用後的回收處理可讓資源生生不息又減少廢棄。
► 雖然可堆肥塑膠中的聚乳酸（PLA）是能在自然界降解的塑膠材質，但若隨意丟棄還是會像傳統塑膠一樣造成環境汙染，臺灣目前也未積極設置堆肥場所。因此評估材料性質、製程耗能、環境影響，以及經濟、社會、立法層面的配合，才能讓綠色材料普及應用並發揮價值。
綠色材料定義
「綠色材料」（green materials）呼應人們對於永續的考量，成為材料科學的發展重點之一。
聯合國（United Nations, UN）在1992 年於巴西里約熱內盧（Rio de Janeiro）舉行地球高峰會議（Earth Summit），讓綠色材料有了更清晰的學術定義：在原料採取、產品製造、應用過程、使用過後的再生循環利用等環節中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的材料。
而「永續」這個名詞近年來也為各界所聞，並在民間及業界受到重視，永續的觀念逐漸在人們心中萌芽。聯合國更在2015年宣布17 項永續發展目標（sustainable development goals, SDGs），內容涵蓋人類福祉、經濟與文明發展，還有保護與我們共存共榮的自然環境生態。
這些永續的概念都可以與電子、金屬、高分子等各種材料領域互相結合，而且必定需要各界共同朝向目標努力，你我也能夠一同思考，如何透過材料科學為地球的永續作出貢獻。
以環境、經濟平衡為目標的材料製程
國際上對於環境條約制訂與永續執行最不遺餘力的是歐盟（European Union, EU），在條約要求與倡議的風氣之下，歐洲國家的綠色材料研究發展值得各界參考；以能源議題為例，溫室氣體帶來的氣候變遷，使得各國不得不思考如何節能減碳、使用低碳能源、致力於達到「碳中和」（carbon neutrality）目標，歐洲就在能源材料上積極發展可取代化石燃料的天然可再生能源，並在政策上大力推行交通工具電動化，因此以高能量密度、安全且友善環境的儲能技術與材料研究備受關注。
其中由瑞典林雪坪大學（Linköpings Universitets）有機電子實驗室與2017 年成立的Ligna Energy 公司共同合作開發、量產的「木質素燃料電池」，就是很好的綠色儲能材料。
木質素（lignin）是樹木中的生物聚合物，占樹木成分為25％，可增加纖維素之間的緊密程度，進而使樹木堅韌強壯；但木質素其實是造紙業的副產物，丟棄如此便宜又容易取得的天然資源實為可惜。
不過這天然的材料幸運地在電池領域找到了一片天－木質素在工業製造過程中會分解成「苯二酚」（benzenediols），而在苯二酚的三種異構物中，「鄰苯二酚」（catechol）可作為良好的電池燃料。
相較於以甲醇（methanol）和乙醇（ethanol）為基底的燃料電池，由於木質素電池發電後的副產物並非二氧化碳，對於減少溫室氣體能有所貢獻。
而且與氫燃料電池對比，木質素為可再生資源，現今氫氣則絕大部分來自天然氣、石油、煤碳等不可再生資源；再相較其他以金屬作為材料的電池，木質素原料並不稀少，而且還有一個間接卻重要的優點－木質素的取得過程不同於金屬開採耗能，也不會破壞當地環境地形，因此並不會因為推展先進地區的電氣化而犧牲礦石產地的生態，可謂符合「環境正義」（environmental justice）的天然電池燃料。
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日常生活中人們製造大量塑膠廢棄物，在回收場回收後堆疊成磚。（許惠晴提供）
此外，木質素電池的材料設計也十分符合「循環經濟」（circular economy）概念，循環經濟是時下產業界熱議的名詞，核心價值是達成「經濟、社會、環境」三者之間的平衡，同時也回應了永續發展目標。
木質素電池賦予造紙業副產物新生命，也讓資源在生命週期中、使用價值逐漸降低時，能透過修復與再利用，維持它的價值並減少廢棄，減少電池材料的金屬礦物開採，也對維護環境有所幫助。
此外，木質素電池的開發、量產製程符合經濟效益，更是達成環境保護與經濟社會互相平衡的目標，畢竟經濟發展仍是維持人類社會運行的重要條件之一，因此現今綠色材料開發者在設計材料時也需要審慎地在各種條件之間進行考量。
材料的後端處理
臺灣近年來跟進世界的腳步，在工業上也提倡材料的循環利用，我們身邊伸手可得的資源都可以搖身一變成為循環綠色材料，例如生活中時常可見的寶特瓶或玻璃。其中令人驚艷的是玻璃除了回收再製成新的玻璃用品之外，竟然還能經過特殊加工，變成綠色建築材料「輕質節能磚」，並已在臺灣多處建案中實際應用。
這款兼具資源再利用、實用性與環保節能的建築材料來自臺灣開發資材股份有限公司，廠商回收面板玻璃再製成的玻璃砂，會混合水泥發泡形成蜂巢結構的堅固磚材。玻璃砂中的氧化鋁（aluminium oxide）結構堅硬、氧化矽（silica）熱導性低，材料本質的優勢被善加利用，除了讓建築物堅固還能阻隔豔陽，使用少量能源就可以冷卻室內溫度。
如果我們將大自然帶進物資循環的環節中，所設計出的材料便可能具有「生物可分解性」（biodegradability）。例如仁舟淨塑的葉子餐盤，在棕櫚葉生長、落下、分解後成為養分的循環裡，在樹葉掉落後、分解之前賦予葉子作為餐盤被使用的價值，而且加工過程除了乾燥，不對葉子做任何非天然物質添加，類似概念的還有玩艸植造的蒲草吸管及市面上可見的竹吸管等。
其實這些玻璃、寶特瓶，或是天然可分解餐具之間有個共同的特徵就是「材料組成單純」，它們能夠在物質的循環中不斷重生，但也多虧使用者使用完畢後了解「如何回收處理」，資源才能生生不息、減少廢棄。
因此當我們設計材料時應當思考取得來源、可以如何善用資源、維護環境，以及製程可以如何節能減碳，也應該更負責任地考量材料被使用時的狀況，以及進入生命週期尾聲時的去處。
綠色材料在實際應用上的落差
如果以大眾更切身的經驗來思考綠色材料，最貼近我們日常生活的便是近年來讓生產者及消費者都陷入苦惱的塑膠議題。什麼樣的塑膠才可被稱為綠色材料呢？塑膠材料無所不在，縱使我們發現海龜鼻孔裡伴隨著鮮血被夾出的吸管、鳥類解剖中滿腸滿肚的塑膠垃圾，或是龐大的太平洋垃圾帶中的高塑膠占比，一再提醒我們嚴重的塑膠汙染問題，但傳統塑膠的方便性、輕量、優良的機械性質以及低成本，仍讓我們無法接受它們的消失。
PLA 使用循環：植物來源的塑膠材料 PLA 可透過特定條件堆肥重返自然，達成材料循環。
近年來在臺灣政府的限塑政策一聲令下後，生物可分解塑膠緊急現身應援，常見的例子有「可堆肥塑膠」（compostable）中的聚乳酸（polylactic acid, PLA），或聚己二酸／對苯二甲酸丁二酯（polybutylene adipate terephthalate, PBAT）。PLA 是相較石化來源的PBAT 更綠色的材料，由天然的玉米澱粉經過精煉、發酵、合成等程序聚合而成的塑膠，成分來自會吸收空氣中二氧化碳、行光合作用的植物，對於近年所倡議的碳中和有一定程度的貢獻。
目前市售的雞蛋盒、蔬果包裝盛盤，或是飲料杯上印有三角形回收符號且中間有個「7」，就是PLA。可堆肥塑膠的價值在於被回收、堆肥後能夠成為植物生長的肥料，雖然堆肥會產出二氧化碳，不過透過植物行光合作用又能將碳排淨除。（今周刊編按：環保署公告 2023 年 8 月起，公部門、公立與私立學校、百貨公司、購物中心、量販店、超級市場、連鎖便利商店、連鎖速食店、有店面的餐飲業等 8 大場所，將不得提供 PLA 材質的杯、碗、盤、碟、餐盒等免洗餐具。）
但是有多少民眾知道PLA 的特別之處呢？外觀透明、性質就如同一般傳統塑膠的PLA，非常容易被使用者們當成傳統塑膠回收，甚至隨意丟棄，讓清潔隊難以處理。只要沒有進入堆肥的機會，PLA 就如同傳統塑膠一般會造成汙染。
即使成功回收進入堆肥程序，它的堆肥環境還必須達到約60℃的高溫，且需有一定的溼度以維持工業堆肥條件，但是臺灣目前尚未積極設置這樣的堆肥場所。
對於使用者的完整回收教育、立法與宣導，以及末端處理設施都是PLA 發揮綠色材料價值的重要條件，可惜目前臺灣民眾教育以及完善的末端處理方面都還嚴重欠缺。從PLA 的問題可以知道，綠色材料的普及應用與價值發揮，不僅需要理工領域去研究材料性質、製程耗能以及評估環境影響，還需要經濟、社會或是立法層面的配合。
PLA 塑膠杯戶外堆肥實況：若環境溫度不到60℃，杯子難以被分解。（許惠晴提供）
責任生產與消費
綠色材料之於永續的重要性在我們日常的食衣住行可見一斑，所有材料都是因應人類的需求而生，而聯合國永續發展目標中的「責任生產與消費」（responsible consumption and production）意味著人人都應該有永續意識地生產、製造、做出日常的消費及使用上的選擇。
假使讀者是一個綠色材料的開發者，若是能任重而道遠、在研究上完善地考慮環境及人類的福祉，將很有機會直接地創造永續；如果讀者身為材料的後端使用者、消費者，也肩負使用及消費的責任，我們的選擇將深深影響材料設計者的決策方向。
或許現今仍然有永續理念之下的綠色材料設計存在待解決的問題，但只要我們秉持初衷地共同討論、修正、改進，將會一步步往永續的地球前進。（本文作者為王潔／麻省理工學院材料工程學系博士，任教於清華大學化工系，研究領域為生物可降解高分子的開發與應用、許惠晴／清華大學化工碩士班畢業，現為塑膠生物分解相關領域研究助理。）
※原文刊載於《科學月刊》第631期〈綠色材料也有汙染問題？材料的永續使用與挑戰〉
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