美國國家科學院院刊(PNAS)發表化學系戴桓青助理教授

化學系戴桓青助理教授團隊於106年1月18日於科技部舉辦成果發表記者會，解開「史特拉底瓦里琴」300年的秘密。此項成果已於105年12月19日刊登於美國國家科學院院刊，並經倫敦泰晤士報與紐約時報與等國際知名媒體的關注與報導。

對於職業小提琴家而言，義大利北部的克里蒙納（Cremona）是一個充滿神祕的城市。目前世界上最早的小提琴是安德烈阿瑪悌(Andrea Amati)在1550年左右在克里蒙納製作，這座小鎮是小提琴的發源地，還孕育出史上最著名的兩位製琴大師：史特拉底瓦里(Antonio Stradivari, 1644-1737)和「耶穌」瓜奈里(Giuseppe Guarneri “del Gesù” 1698-1744)。在過去的兩個世紀裡，知名的小提琴演奏家對於史特拉底瓦里與「耶穌」瓜奈里展現了無可取代的偏好。就算後來有無數的製琴高手都熱衷於模仿這兩位大師的作品，而且自工業革命以來各項科技都一直進步，史特拉底瓦里與「耶穌」瓜奈里仍然是演奏名家的最愛，至今仍無法被取代。為什麼無法重新仿製出史特拉底瓦里與瓜奈里名琴的音色，已經成為西方文化中最傳奇的奧秘之一。根據臺大化學系戴桓青助理教授與名琴收藏獨步全球的奇美博物館的合作研究，這個神秘的關鍵可能隱藏於木材之中。

歷史上曾有許多專家認為名琴的聲音秘密來自於特殊的塗漆。史特拉底瓦里的塗漆手法，特別擅於增強楓木的條紋反射特性，造成類似貓眼石的雙色效果，幾乎無人能複製。但是根據歐洲學者最近對於史特拉底瓦里的塗漆的研究，似乎看不出有什麼材料特性足以對琴音有革命性的影響。因此現今的許多的提琴大師轉而不再把史特拉底瓦里的塗漆當做是調整聲音的密技。

另一方面，德州農工大學的退休教授納吉瓦里（Joseph Nagyvary）曾經最早提出克里蒙納的秘密可能蘊藏於木材之中。小提琴的聲音振動特徵主要由它的前板和後板所決定，它們分別是由雲杉和楓木所製成的。 納吉瓦里曾經發表兩篇研究論文，指出史特拉底瓦里與瓜奈里小提琴中的楓木曾經歷化學處理，導致木材中部份的纖維成分嚴重降解。但許多製琴師與修琴師卻不認同這樣的概念，他們反而認為史特拉底瓦里的楓木比現代楓木更乾燥而且更有彈性。而小提琴演奏家則認為，老琴與新琴的聲音不同，克里蒙納老琴與其他地方的老琴聲音不同，而史特拉底瓦里的小提琴甚至比他的大提琴具有聲音魔力。戴桓青教授的最新研究成果則為這些百年來的觀察印象提供了可能的解釋。這項研究總共分析了四把史特拉底瓦里與一把「耶穌」瓜奈里名琴的木材。這些木材都是在修復時所移除的，但沒有被當成木屑丟掉，而是由戴桓青教授為了研究從世界各地輾轉蒐集而來，其中一個樣品來自於奇美博物館。

有的名琴楓木都有一項共同特徵，即半纖維素的降解，經過三百年大約三分之一已經水解，這是木材自然老化的現象。半纖維素是木細胞壁的三種主要纖維成分之一，其他還有纖維素和木質素。半纖維素也是吸水力最強的纖維，所以其降解會導致木材比較不會吸收濕氣，減少了振動時內部的阻尼。其次，元素分析的結果顯示，克里蒙納的楓木曾被注入含有有鈉、鉀和鈣離子的礦物質，還有當時煉金術經常使用的明礬，硼砂，硫酸鋅和硫酸銅。這些礦物質配方可能有兩種目的，第一是阻止真菌和蛀蟲的生長，第二是藉由礦物質的吸水特性避免木材在低溫低濕度時發生乾裂。所有的克里蒙納的小提琴和大提琴樣品都顯示出礦物質處理的跡象，但在其他地區或國家的古董提琴中則未觀察到。最奇特的是，史特拉底瓦里的小提琴和他的大提琴的楓木在加熱氧化時竟然呈現出不一樣的放熱曲線。他的大提琴的放熱曲線近似於天然的楓木，但是小提琴的曲線則近似於被真菌分解過的木材，這意味著纖維素與木質素在分子層級發生了剝離的現象。就如同小提琴家所認為的，戴桓青教授找到了老琴所共同擁有的木材性質，克里蒙納特有的木材性質，以及小提琴才有但大提琴沒有的特殊性質。

在名琴的保存上，這項新研究帶來了一些好消息和一些壞消息。其中的好消息是木材內的纖維素，仍然保有原來的結晶性，足以提供主要的結構支撐力。壞消息則是半纖維素的分解是無法阻擋的，纖維素周圍的有機基質會逐漸分解並削弱細胞壁的結構。保存至今最古老的小提琴是450年前由阿瑪悌所製造，雖然還可以演奏，但是這不保證史特拉底瓦里明亮的傳奇音色能夠繼續維持一百至兩百年。由於小提琴的木材分解與結構變化比大提琴還要明顯，小提琴可能特別有保存上的風險。許多製琴師同時認為，即使我們可以使用史特拉底瓦里原本的材料和方法來建構精準的複製品，它們仍然需要50-100年的演奏使用才能達到發展出成熟的聲音魅力。假如我們預期名琴的音色將逐漸隨著歲月流逝，而打算做出同等美妙的替代品，現在就需要開始努力不能再等了。

製琴師們認為，在歐洲要取得史特拉底瓦里所選用的同等級的雲杉和楓木，一直都不成問題。真正的問題是今天所能買到製琴用木材並沒有經過化學處理，尤其沒有依照克里蒙納的方式進行處理。雖然用各種礦物質來處理木材可以追溯到古羅馬，但它並不是一個廣泛的做法，而且在過去五十年已經過時被淘汰。用礦物質處理過的木材拿來製作提琴的可能性，不管是在義大利還是歐洲的其他區域，早就被完全遺忘超過兩百年。當年也可能是由木材供應商負責耗時的浸泡處理，而克里蒙納的製琴師只需購買處理完的板材，但其實我們並不清楚那個時代的產業分工。而目前的分析證據仍然不足以確定礦物質處理的原始配方和條件，同樣難以判斷礦物質如何影響小提琴的聲學振動。添加鈣離子與鋁離子可能會促進木材纖維分子之間的化學交聯，或許可以部分補償半纖維素的分解，這或許可以解釋為什麼很多修琴師覺得史特拉底瓦里的楓木敲起來跟聽起來比較具有彈性。礦物質，老化分解與長期振動三者加總起來的綜合效應非常複雜，我們理解的還不多。但是很明顯的，史特拉底瓦里的楓木與現代楓木在化學成份與特性上有許多顯著不同之處，這或許可以解釋過去一百年來無論使用什麼方法都難以複製出史特拉底瓦里名琴的音色。

木材的特殊性質絕對不是小提琴聲音特徵的唯一關鍵。史特拉底瓦里與耶穌瓜奈里都是不折不扣的天才，比起他們的鄰居與家族成員的成就都高出一截。而且當年他們也改良出幾近完美的小提琴的模型，到現在都還一直被模仿，而且每把琴都經過他們的天才之手來做微調，沒有兩把名琴是一樣的。這兩位大師無與倫比的成功是好幾樣關鍵因素與巧合的加乘結果，不是單一材料所能決定。對於克里蒙納製琴技藝進行了兩個世紀的探索之後，原本我們以為所有的關鍵因素都已經找到了，但是臺大與奇美團隊的最新研究顯示，仍有許多未知因素隱藏在木材之中。木材所經歷的化學變化，絕不是肉眼可以看出，只能透過先進的儀器分析才能找出蛛絲馬跡，還有許多實驗需要進行。更重要的是，目前的研究只涵蓋了歷史名琴的楓木，可是由雲杉所製成的前板對於音色而言更為重要，但名琴雲杉的材料特性至今仍然沒有被研究過。國立臺灣大學與奇美博物館的團隊已經對於雲杉展開研究，未來會不會發現更多的秘密，值得期待。此項研究的共同作者包含臺大化學系陳振中與陳浩銘兩位教授的團隊，奇美博物館的鍾岱廷顧問，以及德國提琴專家Brigitte Brandmair，並且獲得科技部與教育部邁向頂尖大學計畫的經費資助。

論文原文連結：
http://www.pnas.org/content/114/1/27.abstract

此項研究發表後，已獲得三十多國一百多家國際媒體報導：

紐約時報報導：

https://www.nytimes.com/2016/12/20/science/stradivari-violin-wood.html?_r=0

華盛頓郵報報導：

https://www.washingtonpost.com/news/morning-mix/wp/2016/12/23/the-secret-of-the-most-famous-violins-a-bath-say-researchers-on-hunt-for-stradivarius-mystique/