石化能源的危機

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

塑膠是石油製成的，而石油是死掉的恐龍製成的，請問塑膠恐龍的成分中有多少真正的恐龍？
——史蒂夫．萊德福（Steve Lydford）

我不知道。

塑膠恐龍

煤和石油稱為化石燃料，因為它們是由千百萬年來埋在地底下的死亡生物殘骸所形成的。「地下的石油來自何種死掉的生物？」標準答案是「海洋浮游生物和藻類」。

換句話說，那些化石燃料中並沒有恐龍化石。

只不過，那個答案不太正確。

我們大部分的人看到的石油，只是它的精煉形式，例如煤油、塑膠，以及從加油槍流出來的東西，所以很容易把石油的來源想像成某種均勻的黑色冒泡物質，每個地方都一樣。

但化石燃料帶有自身原始來源的指紋。煤、石油和天然氣的不同特性，取決於進入其中的生物體，以及牠們的身體組織長久以來發生了什麼樣的變化；取決於牠們住在哪裡、牠們如何死亡、牠們的遺骸最終葬身何處，以及牠們經歷了什麼樣的溫度和壓力。

死亡的物質帶有自身生命歷史的化學印記，千百萬年來以各種不同的方式混雜在一起。我們將它挖出來之後，費了不少工夫剝掉這段故事的證據，將複雜的碳氫化合物精煉成均勻的燃料。當我們燃燒燃料時，它們的故事終於灰飛煙滅，釋放出束縛在它們身上的侏羅紀陽光，為我們的汽車提供動力。

無論是哪裡來的，塑膠恐龍成分中的石油，只有一小部分可能直接來自真正的恐龍屍體。如果是來自以陸地物質為主的中生代油田，含有的恐龍可能稍微多一點；如果是來自密封於冠岩底下的前中生代油田，可能完全不含恐龍。如果不花費心思追查特定玩具製造過程的每一道步驟，就沒辦法知道。

廣義來說，所有的海水在某段時間都曾經是恐龍的一部分。當這些水被用來行光合作用時，其中的分子成為食物鏈中脂肪和碳水化合物的一部分——但那些海水其中有更多，此刻正以水的形式存在於你的體內。

換句話說，你的塑膠玩具身上含有的恐龍，遠不如你身上含有的。

——本文摘自《如果這樣，會怎樣？2：千奇百怪的問題　嚴肅精確的回答》，2023 年 3 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。

氣候變遷比新冠病毒致命五倍

你也許以為地球升溫 1.5 度或 2 度沒什麼差別，但從氣候科學家模擬的結果看來，情況卻很不妙。在很多方面，溫度升高 2 度的情況，不是只比升高 1.5 度糟糕 33%，而是倍增的，例如難以取得乾淨用水的人口會多一倍，熱帶地區的玉米產量衰減也會多一倍。

氣候變遷造成的效應，單單一項就夠慘了，但你不會只遇到炎熱天氣，或只遭受洪災。氣候變遷的效應是環環相扣的。

以新冠病毒來做對比，這樣所有正在經歷這場大流行病的我們會更容易理解。想了解氣候變遷的破壞有多大，看看新冠病毒疫情，再想像一下同樣痛苦程度持續更長的時間。如果不把全球碳排放量減到零，這場疫情造成的人命損失和經濟苦難，將是日後經常會發生的狀況。

先說人命損失：比起新冠病毒，氣候變遷是否會造成更多人死亡？

我們用 1918 年西班牙流感和新冠病毒大流行的數據，估算出的結果是全球平均每年每十萬人口中約有 14 人因大流行病而死。

比起氣候變遷，哪個死亡率較高？預計到本世紀中葉，全球氣溫升高導致的全球死亡率增幅和大流行病一樣，也就是每年每十萬人中約有 14 人因此致死。而到本世紀末，要是排放量仍然持續增加，氣候變遷將導致每十萬人中約有 75 人因此致死。

換句話說，到本世紀中葉，氣候變遷的致命程度可能就和新冠病毒一模一樣，到了 2100 年，氣候變遷要比新冠病毒致命五倍。

經濟情勢也很黯淡。雖然氣候變遷對經濟可能造成的影響和新冠病毒不大一樣，也因使用的經濟模型而異，但結論確定無疑：未來一、二十年內，氣候變遷造成的經濟損失就像每十年發生一次新冠病毒大流行。

就算還有科學不確定性，我們理解的也已經夠多。有兩件事是我們可以做的：

努力適應：努力把已經發生和確定會發生的暖化衝擊減到最小。蓋茲基金會的農業團隊把工作重點放在幫助農民適應。例如，資助許多新品種作物的研究，希望研發出耐旱、耐洪的作物，以對抗未來更頻繁、更嚴重的乾旱和洪水。

減緩暖化：另一件我們不得不做的事，是停止排放溫室氣體到大氣中。若想要躲過災難，全球最大排放國（富裕國家）必須在 2050 年以前實現淨零排放，其他國家不久後也要跟上。

有人反對富裕國家應該先減排：「為什麼是由我們來承擔？」答案不只在於暖化問題主要是由富國造成的，還因為這是大好的經濟機會：有能力建立起成功的零碳公司和零碳產業的國家，將會在未來幾十年中領導全球的經濟。誰有辦法在能源上取得重大突破，並且證明這種突破能在全球廣泛運用，價格又不會太高，誰就能在新興市場中找到許多願意買單的客戶。

石油比汽水還便宜

你今天早上刷牙了嗎？牙刷的材質通常包含塑膠，而塑膠是由石油製成的，石油就是一種化石燃料。

你也許已經吃過早餐，土司和穀類片中的穀物，都是用肥料種出來的，肥料的生產過程會排放溫室氣體；收割穀物會用到曳引機，曳引機是由鋼製成的，煉鋼需要用到化石燃料，過程中也會釋放碳，而且曳引機還需要汽油才跑得動。你如果像我一樣，午餐有時會吃漢堡，製作漢堡排需要飼養牛，過程中也會排放溫室氣體，因為牛打嗝和放屁都會排出甲烷；製作漢堡麵包則需要種植和收割小麥，一樣會排放溫室氣體。

你換衣服準備出門，衣服的材質可能是需要施肥和收割的棉花，也可能是聚酯纖維，從石油提煉出來的乙烯製成。你用的衛生紙，是砍樹而來，製造過程中也會排放出更多的碳。

你今天上班或上學坐的交通工具，如果是用電驅動的，那很好，不過發電來源十之八九也會是化石燃料。你的交通工具如果是火車，火車在鋼製成的軌道上行駛，會穿過由水泥建造的隧道，而生產水泥會使用化石燃料，過程中也會排放碳這個副產品。你乘坐的汽車或公車，週末騎的腳踏車，都是由鋼和塑膠製成的。你行駛在由水泥和柏油鋪成的馬路上，而柏油是從石油提煉而來的。

你如果住在公寓大樓裡，四面的牆應該都是水泥；如果住木造房子，砍伐和裁切木頭都需要用到由鋼和塑膠製成的氣動機械。你家裡或辦公室如果裝了暖氣或空調設備，不僅會消耗大量能源，空調使用的冷媒，還可能是一種很強的溫室氣體。你如果正坐在金屬或塑膠椅子上，提煉這些材料也會產生更多的碳足跡。

以上所有這些東西，小到牙刷，大到建築材料，統統都經由卡車、飛機、火車和輪船從其他地方運來，這些交通工具都需要化石燃料驅動，製造過程也都會用到化石燃料。

化石燃料無法避免，清潔再生成為關鍵

換句話說，化石燃料無所不在。就以石油為例，全世界每天消耗 150 億公升以上的石油，任何產品達到這種用量，已不可能說不用就不用。

更重要的是，化石燃料之所以無所不在，是因為它太便宜了。石油比汽水還便宜。 2020 年下半年的平均油價約為每桶 42 美元，也就是每公升 0.264 美元，而好市多大賣場8公升裝的汽水要價 6 美元，也就是每公升 0.75 美元。世界各地的人每天都要使用一種比健怡可樂還便宜的產品，而且用量達到 150 億公升以上。

問題還不只是每個人會消耗更多能源，全球人口也在增加，而且大部分的人口成長會出現在碳排放密集的都市。都市發展的速度將十分驚人，在接下來四十年，相當於每個月都會蓋起一座紐約市。

問題的規模之大，光想到就令人發暈。但我們也不需要驚慌失措，只要能夠普遍採用清潔再生能源，同時在零碳能源技術上取得突破，就能把淨排放量減到零。這其中的關鍵就在於使清潔能源技術和目前的化石燃料技術一樣平價並穩定供應。