作為日本金澤・加賀地區的工藝品而聞名遐邇的金箔，被用於美術品以及天守閣等歷史建築；輕量質感的煮食蕉布，從沖繩琉球王朝時代開始歷經戰火流傳至今。圍繞這些傳統工藝，一項運用最前緣科學解析卓越匠人手工製作工序的研究不久前公開了其研究成果。在匠人高齡化不斷加劇的背景下，這項研究表明，科學或可能為珍貴傳統工藝向下一代傳承提供助力。
金箔的厚度僅為鋁箔的百分之一
金箔是金澤引以為傲的傳統工藝，據稱自16世紀後半的豐臣秀吉時代起便開始製作。將金置於多種液體浸漬過的紙上反復捶打延展，加工至僅為鋁箔百分之一的厚度。它既可用於美術品的屏風，也可用於建築的內裝，是代表豪華奢侈的名品。
關於金箔之薄，金澤大學的北川和夫名譽教授曾發表文章說：「用電子顯微鏡觀察金箔，可以看到金的晶體朝同一方向排列。正是這種特殊結構使金能夠變為箔。」然而，究竟為何能加工得如此之薄，且在不失去光澤的情況下保持閃耀，其詳細機制一直未能明確。
金箔需經過在紙張上反復捶打，使表面變得平直等多個工序才能製成。
日本北陸先端科學技術大學院大學奈米材料與器件研究領域的大島義文教授（奈米結構物性學），他指導的一名中國留學生研究生提出「想解開這個謎團」，以此為契機，大島教授開始探究為何立方體的晶體會朝同一方向「整齊排列」。
大島教授的專業是操作能夠觀察電子排列的穿透電子顯微術。正如北川教授所言，金箔成品（厚100奈米，1奈米為十億分之一米）呈現出方糖形狀的晶體以晶面朝上的姿態整齊排列。然而，在逐一確認金箔製作各階段時發現，在被稱為「金澄」（厚1微米，1微米為百萬分之一米）的階段，晶體的取向還是雜亂無章的。
金箔晶體的示意圖。其形狀如方糖，改變觀察方向，可見又呈現星形（供圖：大島義文教授）
質疑金屬加工的「常識」，發現90度的「滑移」
金屬經敲打會變薄，同時橫向延展。這種變形可用晶體內部產生的大量「滑移」來解釋。地層中可見的斷層也是滑移的結果，金屬中同樣可發生類似現象。
然而，按照常識，這種滑移只能在由晶體結構決定的特定截面上發生，並由此決定晶體取向的傾斜角度。對於金而言，理論上晶體會以45度傾斜排列，從而在金表面形成凹凸。在打箔過程中，這些較薄的凹凸區域會破裂成粉末，因此理論上無法獲得厚度達100奈米的超薄膜。
要製作金箔，必須像直接排列方糖那樣使表面平坦。為此，「方糖以45度傾斜排列的結構」必須「傾轉」為「方糖無傾斜排列的結構」。然而，這一傾轉無法用「常識」來解釋。
大島教授推測，要使方糖以45度傾斜排列的結構轉變為不傾斜排列的結構，必然存在一種誘發這種取向變化的「新型滑移」。他使用超高電壓穿透電子顯微術，嘗試尋找痕跡。若確有滑移發生，必然會留下滑移痕跡。
結果發現，多個滑移痕跡以彼此成90度角的方式存在。從角度關係來看，這些痕跡無法用常規滑移來解釋，而是發生了一種名為「非八面體滑移」的新型滑移。
紅色部分表示為方糖整齊排列的示意圖。綠色、黑色為其他滑移方式（左）。經單色解析後，可見沿90度方向滑移的現象（供圖：北陸先端科學技術大學院大學）
低溫加工防止再結晶，使表面平坦
不過，要得到這個結論還面臨一個問題。依照傳統金屬加工理論，當金屬晶體發生大量滑移時，整個金箔會變得不穩定。為消除這種不穩定，金箔各處會偶發性地出現結晶重新框架，這一現象被稱為「再結晶」。
這種再結晶會使各處晶體取向變得隨機，反而難以實現表面平坦化。大島教授對此也進行了驗證，結果發現，在100攝氏度以下的低溫進行打箔，可防止金箔內部發生再結晶，從而能夠維持方糖45度傾斜排列的結構。
綜合大島教授的實驗結果可知：金箔打箔過程中，大量產生通常所說的滑移，使金箔整體形成方糖45度傾斜排列的結構。隨後，伴隨著捶打過程，這些滑移相互纏結而無法移動，但因低溫避免了再結晶。結果，意料之外的非八面體滑移發生，使金箔整體晶體取向成功轉變為方糖不傾斜排列的結構。由此，表面變得平坦，金箔整體均勻變薄。
金箔相較其他金屬，其加工溫度更低，從而產生獨特的滑移方式
駁倒質疑，黃金研究專家不再爭論
當將這種說法，向金屬領域的專家解釋時對方斷言：「金屬不會沿直角滑移，非八面體滑移系統在理論上不可能存在。」但當大島教授展示顯微鏡圖像時，對方驚訝道：「啊……確實發生了。」他笑言，「對方當場心服口服」。之所以能夠徹底駁倒質疑，也許正是因為日本那句「有錢人不與人爭」的俗語吧，這回成了「黃金研究專家不與人爭論」。
基於此次研究成果，大島教授希望不僅研究金，還將探究加工溫度不同的鉑、銀、銅的薄膜中會發生怎樣的滑移。他表示：「此次發現說明，只要能抑制加工熱，金就會形成獨特的滑移。既然機制已闡明，若加以應用，或許可以實現金箔的機械化生產。我想探索一下，機械能否解決匠人不足的問題。」金箔光輝的未來已初現端倪。
金箔不僅是文化遺產，也廣泛用於日用品。石川縣作為日本金箔產地而聞名。
煮食蕉布是副熱帶的和服，琉球王族與庶民皆愛用
煮食蕉布製成的和服，薄至可透視後方景物，適合沖繩氣候
煮食蕉布早在琉球王朝的12至13世紀便已經出現的沖繩代表性手工藝品之一。雖在沖繩戰役中幾近斷絕，但已故人間國寶平良敏子女士在岡山倉敷紡織廠工作期間獲得此物為契機，在她的努力下使得這項工藝得以復興。這種編織物深受王室貴族與平民百姓喜愛，至今還在平良女士的故鄉——沖繩縣北部大宜味村喜如嘉地區製作。
沖繩科學技術大學院大學（OIST）科學與技術組的野村陽子研究員（生活科學與生物技術）原本是研究服裝學的，十年前赴任OIST時她想到，「這麼炎熱的氣候，人們以前穿什麼」？由此對傳統的煮食蕉布產生了興趣。
煮食蕉布分為三類：分別為被稱作「著尺」的用於和服的柔軟織物、用於腰帶等的較硬布料，以及用於室內裝飾的硬布。煮食蕉布的原料是煮食蕉屬植物「琉球煮食蕉」，經鹼水軟化、去除雜質、提取纖維等23道工序製成。
野村研究員調查發現，三類煮食蕉布的製作流程基本相同，皆為經緯線簡單組合的平織，每厘米捻線次數僅2至3次，差異不大。她由此推測，決定煮食蕉布柔軟度的或許是纖維本身的差異，於是著手研究。除了擔憂「七十多歲仍被稱為年輕匠人」的煮食蕉布文化衰退外，她認為，「不單純依賴匠人經驗，而要有科學依據，才能維繫獨一無二的琉球文化。」
琉球煮食蕉的横向截面及其不同部位的蠶絲紗差異。最細的纖維分別用作緯線和經線（供圖：沖繩科學技術大學院大學）
從植物學角度分析，纖維蜂窩結構可擴散汗液
參與這項研究的還有 OIST 成像部門的小泉好司研究員（植物學）。他注意到，當地工匠會把琉球煮食蕉的葉鞘部分按由外到內分為四個級別：最外層稱為「Waha」（沖繩方言發音，下同），多用於製作桌布等織物；其次是「Nahau」，常用來織腰帶；再往裏是「Nahagu」，質地最適合製作和服；最內層為「Kiyagi」，因過於柔軟，不適合紡線。此外，工匠還會將「Nahagu」進一步細分為兩類：作為緯線使用的「Nuki」，以及作為經線使用的「Hashi」。
從植物學的角度來看，無論哪種葉鞘，作為纖維使用的部分有九成來自葉肉組織中的纖維束，其餘一成則來自維管束內的纖維結構部分。研究人員決定對這四種纖維的結構上的差異進行調查。這是因為如果能解析結構，便能擺脫僅依賴工匠經驗的侷限，還可以嘗試改進栽培方法或進行品種改良。
首先，研究人員將喜如嘉工匠提供的紗線嵌入樹脂、製成剖切觀察。與Waha相比，Nahagu的纖維結構面積更小。Waha表面殘留有葉肉細胞等雜質，而Nahagu的Nuki與Hashi均無雜質，呈現皺褶狀結構形態。這些皺褶被認為是細胞表面微纖化的纖維素顯現所致。
纖維截面呈蜂窩結構，能包含空氣、擴散汗液。煮食蕉布之所以適應沖繩濕熱氣候，不僅是因為穿著時觸感佳，還在於它能釋放體表汗液。
通過顯微鏡觀察煮食蕉纖維不同部位的差異。可以看出不同用途的纖維，其形狀也各不相同（供圖：沖繩科學技術大學院大學）
工匠憑「手感」選擇細胞壁薄的葉片
接下來是詳細分析成分。細胞壁主要由纖維素、半纖維素與木質素構成。其中木質素是與硬度相關的，因此原本以為木質素含量因部位不同而異，但分析發現各部位單位面積的木質素含量「幾乎相同」。也就是說，柔軟度是由其他因素決定的，於是研究人員又重新考慮了研究方向。
最後研究人員測試的是細胞壁厚度與「壁腔比」（細胞壁與空隙的面積比）。對比了喜如嘉工匠在不同田塊採收的纖維樣本。結果顯示：Waha細胞壁厚2.37微米，Nahagu・Nuki為0.97微米，Nahagu・Hashi為1.42微米。Nahagu類的細胞壁更薄。
壁腔比方面，Waha較高，Nahagu顯著較低。也就是說，纖維硬度由細胞結構微差決定，而非成分差異。小泉研究員由此推斷：「琉球煮食蕉的纖維能成功地成為和服材料，是因為工匠們憑藉肉眼觀察葉鞘，運用手指的直覺選出細胞壁較薄的纖維進行加工使用。」
煮食蕉布歌詞，熟了就織不成布？
作為煮食蕉布原料的琉球煮食蕉通常生長2至3年後採收
據小泉研究員介紹，琉球煮食蕉結果後，纖維就會變硬，因此需要先摘除葉片、修修枝條，讓煮食蕉樹充分變粗，再在結果前採收其柔軟的莖幹纖維。如此一來，名櫻大學的吉川安一名譽教授作詞的琉球民謠《煮食蕉布》中「結果的煮食蕉，已然成熟」這句便存在科學上的「錯誤」。
或許成熟的煮食蕉並非為織布，而是為了觀賞？下一句歌詞是「綠葉之下我的沖繩島」，若是讚美綠葉之美，也能說得過去。小泉研究員補充說，在東南亞部分地區也有用結果後的煮食蕉纖維織布的例子。然而，由於吉川教授已於2025年7月去世，這句歌詞的真意已無從得知。
此次研究明確了細胞壁的厚度是能否成為柔韌好穿的煮食蕉布纖維的關鍵。小泉研究員表示：「若尋找纖維結構細胞壁同樣薄的其他植物，或許能找到替代琉球煮食蕉的材料。此外，研究成果有助於確立土壤與肥料等栽培條件。在不偏差傳統工藝基本方法的前提下改良栽培與育種，或可解決煮食蕉布材料不足的問題，將煮食蕉布傳承至下一代。」
原文：瀧山展代 ／JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Scientific Reports
論文：Morphological Analysis of Musa balbisiana var. liukiuensis Fibers for Kimono-Grade Bashofu in Japan
DOI：10.1038/s41598-025-22757-x
