工研院研發技術榮獲全球百大科技研發獎

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

本文轉載自顯微觀點

「從高中生開始到大學生，甚至到研究所碩士、博士，其實你只要做一件事－叫做找到有興趣的問題」。

從藍光 LED 起始的奈米研究之旅

中研院應用科學研究中心副研究員張允崇近年致力於光電推廣教育工作，不僅作為國際光電工程學會 SPIE 的光學推廣委員會成員，還擔任中華民國光電學會教育委員會主任委員，並已連續舉辦兩屆光電學會光電教具創作競賽。

張允崇自台灣大學物理系畢業後前往北卡羅萊納州立大學攻讀電機博士。時值台灣開始發展半導體的年代，加上他對光學和雷射很有興趣，因此選擇光電半導體作為研究領域，其中又以藍光 LED 為其研究重點。

LED（發光二極體，light-emitting diode）是一種半導體光源。當電流通過這個半導體電子元件時，電子與電洞複合以光子的形式釋放能量，而發出單色光。光線的波長、顏色則和採用的半導體材料種類以及故意摻入的元素雜質有關。

一開始以磷化鎵砷（GaAsP）為材料的 LED 僅能發出紅光且效率低，因此僅作為指示燈使用。而後雖出現可發出綠光的 LED，但一直缺少藍光 LED，就無法以光的三原色－藍、綠、紅，來任意組成不同的顏色，尤其是可供照明的白光。

直到 1993 年，日本日亞化學（Nichia Corporation）的中村修二成功把鎂摻入，成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN）開發具有商業應用價值的藍光發光二極體。

有了藍光 LED 後，白光 LED 也隨即問世。因此 2014 年諾貝爾物理學獎也以「發明高亮度藍色發光二極體，帶來了節能明亮的白色光源」的理由，將獎項頒給中村修二，以及製成高品質 GaN 並首次以 pn 結構完成藍色 LED 的日本科學家赤崎勇與天野浩。

2001 年博士學位並於 2003 年返台至成大任教的張允崇說，當時藍光 LED 領域正好當紅，因此博士班期間以及回台任教之初，便以此為研究材料進行研究。

但很快地，藍光 LED 材料愈來愈便宜且效率也已提升很多，相關應用和研究到達瓶頸，要再突破已非易事。相關領域的學者不是已經放棄，就是必須做出變化。張允崇亦是如此。

台灣從 2003 年開始，投入新台幣約 250 億元執行「奈米國家型科技計畫」，推動奈米科技發展。因此，張允崇也將研究視角轉向開發各種不同奈米製程，其中一個便是奈米球鏡微影術（Nanospherical-Lens Lithography，NLL）。

奈米球鏡微影術是使用奈米球將入射的紫外光聚焦於下方光阻，藉以製作出大面積的金屬圓盤陣列，這樣不僅可以大面積生產，使用的設備也是產業界既有生產設備，成本相對低廉。

「到 2018 年，我們幾乎可以宣稱我們是全世界做奈米球做厲害的人」。但張允崇表示，儘管奈米球鏡顯微影術可以大面積、有效率地提升製程產量，但在學術發表上外界期望看到「新功能」，加上後來到中研院任職，資源較多，便不再限制於奈米球上，而是開發各種奈米製程和新功能。

直觀研究取代考試教學

「我可以講 30 分鐘的研究，沒有任何一個公式在投影片裡」，張允崇笑稱因為自己的數學不太好，所以研究的題目「數學不會太多」。

他以奈米金屬為例，儘管背後有很多數學推導，但在他們實驗室的研究開發中，便僅以「奈米顆粒對環境折射率非常靈敏」的直覺，進一步對其作為感測器進行研究。

但與其說是「受限於數學不好」，不如說張允崇更看重科學直覺和實作，這不僅表現在他的研究，也體現在他的教學和近年致力推廣的光電教具創作競賽中。

張允崇提到之所以投入光電教具創作競賽，起因於他參與國際光電工程學會（International Society for Optics and Photonics, SPIE）的年會時，擔任其中一個類似教具競賽的外展活動評審，氣氛不錯。

加上當時張允崇在台大物理系兼職，教授光電半導體課程。「考試學到的東西很有限」，比起考試他更希望學生能從做中學，因此便參考年會外展活動的概念，讓學生執行期末計畫。

「當時想法只是覺得課堂裡好的作品可以到國際參賽，就像區域競賽比得好，比全國再比國際」。張允崇後來遇到一些志同道合的老師，才將全國競賽籌備起來。

不過，競賽今年邁入第三屆之際，回顧這一路走來，張允崇認為，競賽帶來的收穫、好處和原本初衷略有不同。而最大的好處在於讓學生「提早認識實驗室」。

他表示，許多學生到大三、大四要做專題進實驗室時，早已聽從學長姐和外界的聲音「立志進台積電」。

「現在多學生大三大四就直接聽學長姐說哪一個領域很好，可以去台積電啊。如果你研究所找了老師就是做這個領域，你就被他綁住了，博士班再讀（其他領域）好了，其實也跳不太開了。」張允崇說，不只選錯路不易回頭，進而出現「學用落差」外，學術熱忱也不易被點燃。

但藉由教具競賽，讓大一、大二的學生及早進實驗室「東摸摸、西摸摸」。「大一暑假找一個老師，不喜歡；大二可以換一個、大三再換一個，老師沒有再看到你也不會覺得怎麼樣」，張允崇表示，就算學生不用跟著老師的計畫題目，教具做不出來也沒關係，單純和老師討論教具專題也能略知實驗室的研究內容，進而評估是否對該領域有興趣。

張允崇說，考試答案都是已知的，學生也只是努力搞清楚老師「要考什麼」。但工作、研究卻不是如此，答案都是未知的，因此培養解決問題的能力，包含問對人找到解決方法，更為重要。

而要培養解決問題能力，最快方式就是進實驗室直接動手做。由於實驗室基礎能力需要的是各種能力的展現，不僅限於書本與公式；例如自動控制需要電腦程式能力、有些人手巧適合精工，甚至 3D 繪圖等。學生及早進入實驗室，就算「自認不適合讀書」，也能從中發現自己的專長和定位。

從半導體到奈米光學，再到生物感測，張允崇的研究領域很廣，「奈米領域所有問題都有興趣」。他笑稱，「優點是領域很廣，但缺點是『你問我做什麼題目，我講不出來』」。但只要找到有興趣的東西，就可以做好一件事，「因為你會願意花很多時間」。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

今天我們來聊聊一種超酷的通信技術——用 LED 燈來傳遞訊息。

你可能會疑惑，LED 燈怎麼能傳數據？其實，這背後的原理並不難理解。無線電波是電磁波的一種，而 LED 發出的「可見光」也是電磁波的一部分，只是頻率更高。既然都是電磁波，那用光來通信似乎也很合理。

光通信並不是新鮮事。早在周朝，人們就用烽火台來傳遞戰情；我們熟悉的發明家貝爾也發明過光電話（Photophone），且 1880 年 4 月 1 日，貝爾還成功地用光電話在 200 多公尺的距離上實現了通信。

然後？就沒有然後了，光通信技術沉寂了一百多年，直到太空通信中找到了新的用途。

可見光通訊帶來了通信技術的全新篇章。當然，我們也要提到，像遙控器和一些太空通信其實用的是紅外線，但這些都和可見光屬於同一大類——電磁波通信。所以，嚴格來說，可見光通訊也是電磁波通信的一部分。

未來的世界，燈光不僅僅是照明工具，更是我們連接信息世界的橋樑。

更多、更完整的內容，歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片，並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊！

參考資料

• Secret Laser Communications via Polybius Square
• Wireless Telephony (1905)
• 比 Wi-Fi 快百倍！Li-Fi 無線傳輸標準 802.11bb 發表
• NASA Uses Lasers To Send The Mona Lisa To The Moon
• 【影】NASA 利用雷射光束將蒙娜麗莎送上月球！ | ETtoday 國際新聞