一拍個不見陽光的流浪星球

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

在座各位地球人肯定對「水」一點不陌生。不論是液態水還是固態冰，在生活中都隨處可見。但如果你以為我們已經完全了解水和冰的構成與變化，那你可就錯了，因為它可是超乎想像的複雜。

冰也會七十二變？常見的物質竟然有這麼多型態！

學校裡教過的三相圖將水區分成固、液、氣三種相（Phase）。不過除了這種簡單的分類，固態的冰在不同的壓力與溫度條件下其實還有許多不同面貌。

一般條件下，自然結凍的水只會呈現六角結晶或立方結晶，兩種晶體結構合稱為「冰一」（Ice I）。你可能有些好奇：既然有一，那或許會有二（咦）

沒錯！目前已知的冰共有二十幾種型態，比 iPhone 的型號還多！只是除了冰一之外，其他的型態都極為少見。

所謂少見是有多少見呢？

一直到 2017 年時，科學家才首次在實驗室中合成出冰七（Ice VII），這種稀有的結晶形態通常只有在彗星或系外行星上才見得到，因為它需要超大的壓力（例如：兩個含冰量豐富的小行星體對撞），才有可能形成。

相隔一年後，另一組研究團隊利用 X 光繞射技術，在世界各地的鑽石中發現冰七的蹤影。

為什麼鑽石中會有冰七？推測原因是由於當初在地底時，有少量水分被困在高溫高壓的鑽石礦脈中，而後這些水分隨著鑽石一同被挖掘到地表，雖然溫度下降到普通室溫，但堅固的鑽石內卻仍然維持著高壓。如此獨一無二的條件，讓冰七得以自然生成。

零度以下也不結冰？神秘的過冷水！

光是固態冰就有這麼多花樣了，水結冰的過程同樣也是科學家有興趣的主題。在 Science 期刊上最新的研究發現，過冷水其實是由兩種結構不同的形態混搭而成。

一般的情況下，零度以下的水需要一些雜質或擾動來「啟動」結晶的過程，才能凝固成冰。在缺乏這些條件時，水可以在零度以下仍維持液態，也就是所謂的「過冷」。

關於過冷水的理論模型可說是眾說紛紜，因為這種狀態十分不穩定，輕微的干擾就會讓過冷水全部結晶，讓實驗學家十分頭痛。另外，也很難單從實驗中觀察並判斷過冷水不結晶到底是不是因為還未達到熱平衡。

以往的相關研究通常只能依賴分子模擬，不過最近在實驗上有了最新突破。

美國西北太平洋國家實驗室的研究人員準備了一片僅有 15 奈米厚的薄冰，接著利用短暫的雷射脈衝，極速加熱一小塊區域，使其轉為液態過冷水，直到它很快地降溫並重新結晶。

整個過程只有短短幾十奈秒，不過，這個突破已經足夠讓我們使用紅外線光譜來測量過冷水的分子結構。

結果發現，早在結晶開始的短短的幾十奈秒之間，過冷水就找到了它最舒服的平衡狀態；這個狀態還是由兩種結構不同的液體型態所組成，分為高密度與低密度結構，密度分別約為 0.9 和 1.1 g/cm³。

實驗發現，過冷水中高密度水所佔的比例，會隨著溫度降低逐漸減少。也就是說，過冷水能在低於攝氏零度的環境下維持液態，很有可能是兩種不同密度的水比例不同所造成的。

其實，這種特殊的二元性質也能在一般常溫的液態水中看到，分為四面體和非四面體結構。不過這類的現象在過冷水是首次被發現，也為水在低溫時的行為提供重要的實驗數據。關於水的各種理論模型，我們終於得以區分何者較接近真實。

參考資料

1. Water structure and science
2. Gleason, A. E., Bolme, C. A., Galtier, E., Lee, H. J., Granados, E., Dolan, D. H., … & Swift, D. (2017). Compression freezing kinetics of water to ice VII. Physical Review Letters, 119(2), 025701.
3. Tschauner, O., Huang, S., Greenberg, E., Prakapenka, V. B., Ma, C., Rossman, G. R., … & Tait, K. (2018). Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science, 359(6380), 1136-1139.
4. Kringle, L., Thornley, W. A., Kay, B. D., & Kimmel, G. A. (2020). Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. Science, 369(6510), 1490-1492.
5. Shi, R., & Tanaka, H. (2020). Direct evidence in the scattering function for the coexistence of two types of local structures in liquid water. Journal of the American Chemical Society, 142(6), 2868-2875.

什麼是「一拍個」？就是「一兆個」乘以一千倍啦。

2012年3月Universe Today這個網站媒體第一次報導了銀河系裡有著「如天文數字」般數量龐大的流浪行星。這項最新研究獲得批露後，這些孤單的星球，「不見天日」地漫遊在星際空間中，且沒日沒夜地恆定唱著「浪人之歌」…此情此景在視覺上教人匪夷所思，而在星際間竟漂流著這麼多孤獨的星球，實在也太令人跌破眼鏡，所以國外許多天文愛好者大加關注，在天文界中相關的討論方興未艾。

因此，以下將繼續介紹3位在天文領域裡深受景仰的國際知名科學家所研究估計的關於流浪行星的計算結果。如果估計結果和數字皆正確無誤，意味著銀河系裡的行星數量，不只是比恆星「多」而已 – 是多很多 – 在我們的銀河系裡，平均每一顆恆星都擁有著高達10萬顆這種流浪型的行星，換言之，小自冥王星起算，大到超過木星以上，大大小小攏總加起來，這些漂流星球的總數量，約達「千兆」之譜!（官方說法，這個單位叫做「拍」，以口語且較易懂的說法就是: “1”後面跟著15個”0”， quadrillion）。這些流浪行星所組成的世界，數量竟如此龐大，它們到底都是從哪兒來的?

最近卡弗里基金會（Kavli）邀集其他幾位正在進行流浪行星相關研究的天文學者，齊聚一堂進行討論。這些知名學者包括卡弗里天文物理及宇宙學粒子研究所（KIPAC）所長， Roger D. Blandford， 他同時也是史丹福大學的教授，哈佛大學的Dimitar D. Sasselov教授（NASA克卜勒計畫的共同主持人之一）， 以及KIPAC副研究員 Louis E. Strigari，此外，還有SLAC 美國國家加速實驗室成員也參與討論 ，所討論的內容是：這些流浪星球世界究竟可能會像什麼樣子?它們是怎麼形成的呢?

其中一種流浪行星的可能來源是，它們本來就是從各自的「太陽系」中被「踢」出來的。

大多數恆星形成於星群中，許多恆星四周都有氣體和塵埃所組成的原行星盤，行星誕生於原行星盤中，流浪行星也是。至於他們是在什麼樣的情況下？如何被踢出來？這可以有好幾種方式。研究人員說，這些形成於極早時期的恆星系統，大多擁有很多顆質量很小，差不多為冥王星等級的行星，所以，在恆星之間，發生「彼此互換小質量行星」的這種動作，頻率很高，應該是個不難想見的場景。

至於「行星形成於恆星盤以外地區」的這種可能性，雖並未遭完全排除 – 若是在這種條件下形成的流浪行星，其質量大小將設有最低門檻，在理論計算中發現，形成這種流浪星球的最低質量，應不小於木星等級；所以研究人員大多認為，木星質量可作為一個參考標準，如果行星質量小於「木星標準」的門檻，它將沒有機會能自行獨立並存在於一個發展中的恆星系統以外。

這些小行星到底由什麼組成？

Sasselov教授表示，行星在沒有一顆的恆星來為它供應熱能和能量的這個條件下，「我們假設這些星球上應該是相當寒冷，且不適於生命發展。」不過他也指出，情況未必永遠不樂觀。流浪行星的內部熱源應可充當生命初始乍現所需的能量…至少能量必需充足，保持它們得以生存得下去。

想像一下，譬如以地球來說，要是地球從今天開始進行一場「無太陽的流浪之旅」，可以想見的是，地球上的生命並不會因而畫上終結號。這並非推論，是有實例可證明的，地球上已找到為數相當龐大的微生物、兩種線蟲，它們完全靠來自地球內殼核心的熱而存活的。這是100%千真萬確的事實。

KIPAC所長暨史丹福大學教授Roger Blandford也提出他的看法認為：「小型的流浪行星可能有一張高壓、高密度的保溫毯，這張毯子就覆蓋在行星的表面上」，毯子可能組成物質包括氫分子大氣或結冰的表面層，這些都能保存相當多的熱能，經由這種方法便可保持具傳導性的液態水，藉液態水而得以創造或維持生命。

星際間有這麼多行星維持著生命存在的可能性，如果它們果然如此穿梭來去銀河系當中，是否有可能，它們其實也幫助生物在銀河系中的恆星系統間彼此互通有無呢?其實，像這樣「播種論」的說法，並非近來所新創建的天文辭條；早在西元前400多年，就有古希臘哲學家Anaxagoras論述過這種可能性。假設流浪行星以每2，500萬年一次的頻率，能夠拜訪、經過內太陽系，這些流浪行星從地球上帶走一些生命和生物，並夾而帶之、傳播至銀河系其他地區的可能性，我們該認為它是高或低呢？Blandford表示：可樂觀以對。

Blandford並指出：在銀河系以內的範圍，生命能以直接、隨機或甚至是惡意的方式傳佈，這是在20世紀便已有許多著名科學家加以研究論證過的；在21世紀的今天，現代天文學能夠繼續加以著墨發揮的部分，事實上更在於，進一步提供清楚的證據去證明許多星系之間如何互撞並散佈物質至星系際空間中。基本上，不單只是在星系內，即使是在「從Ａ星系到Ｂ星系間」這種層次的生命持續播種的說法，學者也持肯定支持態度。

簡單講，流浪行星不僅只限於銀河系。如果有足夠的推動力，它可以被一個星系完全地推向另一個星系去。

誠如我們所知的，多數星系之間的碰撞都導致大量物質丟進星際太空中。而只要與恆星或黑洞相遇一次，就足以從中獲取一顆行星的彈出和離開一個星系所需的逃逸速度。

地球生命可能向外星球甚至外星系播種，這不僅是個歷史悠久的臆測，同時也是一個其來有自、有相當合理性的概念，以科學研究的能力來說，將它付諸研究實踐的可行性正在日益增加。（Lauren 譯）

相關討論內容及參考資料請見：NOMADS OF THE GALAXY的其中一段落，以及Wickramasinghe NC et al (2012). Life-bearing primordial planets in the solar vicinity. Astrophysics and Space Science; DOI 10.1007/s10509-012-1092-8

資料來源：中研院天文網[2012.07.24]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

• 編譯 / 歐柏昇

美國國家航空暨太空總署（ National Aeronautics and Space Administration, NASA）火星偵察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter, MRO）的新發現，提供目前最強烈的證據，顯示今日的火星有間歇流動的液態水。

在這顆紅色行星表面，具有神秘條紋的山坡上，研究人員利用MRO上面的成像光譜儀，偵測到含水礦物的特徵。這些淺黑的條紋，看起來會隨著時間推移而流動。條紋在溫暖的季節時變黑，而沿著陡坡往下流動；且在較冷的季節則顏色褪去。當溫度高過華氏-10度（攝氏-23度），就會在火星上好幾個地點出現；較冷的時候則消失。

NASA科學任務理事會副主任及太空人約翰．格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）說：「我們對於火星的探索都是『跟隨著水』，來尋找宇宙中的生命，而現在我們有了令人信服的科學，證實我們長久料想的事。這是重要的新發展，看來確認了水──儘管是鹽水──今日在火星表面流動。」

這些下坡的流動，稱為季節性斜坡紋（recurring slope lineae, RSL），它被認為可能與液態水有關。在坡道上新發現的水合鹽類，便指明了與這些深色特徵的關聯。水合鹽類會降低液態鹽水的凝固點，這就像在地球上，馬路上的鹽會造成冰和雪更快融化。科學家說，這可能是淺層的地表下流動，並有一些水透過毛細作用來到地表上。這樣就可以解釋變黑的現象。

亞特蘭大的喬治亞理工學院的盧金德拉．歐嘉（Lujendra Ojha）是發表這項新發現的報告的第一作者，這篇文章發表在9月28日出版的《自然地球科學》（Nature Geoscience）期刊。

他說：「我們只有在這些季節特徵最寬的時候發現水合鹽類，表示這些深色條紋本身、或者某個造成深色條紋的機制，就是水合作用的來源。不管是哪一種情況，在山坡上偵測到水合礦物，就代表水在這些條紋的形成過程中，扮演重要的角色。」

2010年，當歐嘉還是亞利桑那大學的大學生時，便利用MRO的高解析度成像科學設備（High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE），首次注意到這些令人困惑的特徵。HiRISE目前已經在火星上數十個地點觀測到RSL。新的研究結合了HiRISE的觀測，以及MRO的火星專用小型偵察影像頻譜儀（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars, CRISM）的礦物分布圖。

光譜儀的觀測，顯示了多個RSL地點的水合鹽類特徵，但只有在深色條紋相對較寬的時候會出現。當研究人員觀測同一個地點、但RSL較少的時期，就沒有偵測到水合鹽類。

歐嘉與其他共同作者，將此光譜的特徵解釋為過氯酸鹽的水合礦物。它的化學特徵與這些水合鹽類最相符的，可能是過氯酸鎂、氯酸鎂及過氯酸鈉的混合物。有些過氯酸鹽，讓液體甚至在華氏-94度（攝氏-70度）這麼低溫的情況下，都不會結冰。在地球上，自然產生的過氯酸鹽集中在沙漠，而有些種類的過氯酸鹽可以拿來作為火箭的推進劑。

之前人們就曾在火星上看到過氯酸鹽。NASA的鳳凰號和好奇號，都曾在火星的土壤中找到過氯酸鹽，而有些科學家還相信，1970年代的維京計畫已測量到這樣的特徵。不過，這次對於測量到RSL的地區，其水合型態的過氯酸鹽研究，跟先前的登陸器探測的地區並不同。這也是首次透過軌道上的衛星，來確認過氯酸鹽。

MRO具有六個科學儀器，從2006年開始量測火星。

在加州帕薩迪納的NASA噴射推進實驗室的MRO計畫科學家理查德．楚雷克（Rich Zurek）說：「MRO可觀測火星許多年的能力，以及能夠看到這些特徵清楚的細節， 促成了這樣的發現：首次識別了令人困惑的季節性條紋，而現在則是解釋了它們是什麼，邁出了一大步。」

這些新發現對於歐嘉來說，是更強烈地證明了他五年前首次觀察到的火星坡道上神秘的線條，真的就是現存的水。他說：「大多數人談到火星上的水，通常談的是古老的水、或是結冰的水。現在我們知道，這個故事不只是如此。這是第一次明確支持我們對於RSL的『液態水形成假說』的光譜觀測證據。」這項發現，是NASA火星任務眾多突破性結果當中最新的一項。

NASA華盛頓總部的火星探測計畫首席科學家麥克．邁爾（Michael Meyer）說：「為了解決這個謎團，眾多太空船花費了幾十年的時間，而現在我們知道，在這個寒冷、荒蕪的行星上有液態水。似乎對火星研究越多，我們就越知道生命如何維繫，以及未來哪裡有足以維持生命的資源。」

文章來源：

• NASA Confirms Evidence That Liquid Water Flows on Today’s Mars. NASA [Sept. 28, 2015]

延伸閱讀：

• 火星上發現疑似鹽水流動痕跡
• 奇怪耶你，找外星生命一定要先找水嗎？
• 《絕地救援》的馬克，怎麼活過在火星被丟包的日子