整個世界都是我的裝備庫！來看看地表最強的水熊秘訣

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

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物，能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠，遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期，有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐：和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞，讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果，讓作者可以做出這種宣稱？科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢？

什麼是量子糾纏？

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述，至於實際上到底是在「糾纏」什麼，可以參考先前這篇文章^[2]。

儘管名字聽起來很神祕，但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場，現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說，但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制，結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統，生物體的結構可說是極為雜亂複雜，難以成為量子實驗的對象。

此外，為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響，糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續，許多物質的特性也都已經改變。

因此，儘管實驗方面已經發展許久，要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說，整個生物世界太亂又太熱，完全不會想靠近一步。正因如此，這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大，算是「巨觀」生物中相對微小的種類，要做量子實驗的話較好下手；更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境，爾後再重新恢復活力，如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度（也就是只比絕對零度高 0.01 度），同時接近真空的環境中，在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中，並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏，並測試糾纏結果。

根據測試的結果，作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說，水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元，和另外兩個超導位元糾纏在一起！實驗結束後，水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍，最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制，打開了通往量子生物學的大門，並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題，將文章的預印版放上了 arXiv 網站，引起科學界一片譁然。

等等，這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣，媒體也爭相報導，但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動，突破性恐怕也是過於誇大。

I said I was done with the “qubit entangled with a tardigrade” discussion (regarding an unpublished manuscript that appeared online recently). But now that misleading news pieces are coming out, I decided to spell it out at a non-technical level

1/nhttps://t.co/gjjhX6ss8g

— Ben Brubaker (@benbenbrubaker) December 18, 2021

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣，裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路；而接近絕對零度的水熊，基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面，會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵，其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊，灰塵，還是螞蟻，這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的，並非量子現象。

也就是說，作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實，甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊，因此沒有經歷同行科學家的審查，還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進，目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的，那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天，水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言，好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按：該如何驗證量子糾纏，可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天：06/28〉，此論文的主要問題是不能藉由實驗設計，來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

1. 看過「水熊蟲」走路嗎？——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似！
2. 照出黑洞不算什麼，科學家連量子纏結都能拍到！？
3. 水熊和超導量子位元的糾纏（原文）

我們都知道生命是非常頑強的，在一些極端環境如高熱強酸的火山溫泉、高壓強鹼的深海等，都能找到一些生物定居。不過如果想找極端的生存環境，不必到這麼危險的地方，你我身邊其實隨處都有，那就是「混凝土」之中。混凝土內部的環境對生物來說也是極端苛刻：強鹼、高鹽、乾旱、缺乏食物。而近期發表在 mSystems 上的研究顯示，即便是混凝土之中，也有生命存在^[1]。

混凝土的組成與缺陷

混凝土是由骨料 (礫石和沙子)、水泥、水和添加物依適當比例配置而成的複合材料。混凝土因有著硬度高、耐高壓、可塑性強、成本低廉、製作簡單、可適用於各種自然環境等特性，成為世界上使用最多最廣的建築材料，幾乎絕大部分的現代土木工程都會用到。

混凝土雖然是優秀的建材，但也並非沒有弱點。鹼-矽反應（alkali–silica reaction, ASR）就是一個會破壞混凝土結構的常見因素。ASR 會讓混凝土產生俗稱「混凝土癌」的狀態。而形成 ASR 的主要原因，就在混凝土中的水泥身上。

混凝土中最常使用的水泥為「波特蘭水泥」，即矽酸鹽水泥。當水泥和水混和後會發生一系列複雜的物理與化學反應，使其凝結與固化。而在這個過程中，會產生大量強鹼物質如氫氧化鈣，這就讓混凝土內部的 pH 值處在 12.5 左右。

正常的混凝土其內部結構相當緻密，基本沒有水分。但當混凝土受到撞擊、搖晃等外在衝擊而產生裂縫後，水就能滲入其中。而當水進入混凝土後，會使混凝土內部的強鹼和矽酸鹽類產生反應，形成水合矽酸鹽。這些水合矽酸鹽會在混凝土內部產生不均勻的膨脹，而當水合矽酸鹽的數量達到一定後，就會造成混凝土的破裂。

要避免 ASR 的一個方法，是在混凝土中加入飛灰（fly ash）。飛灰是火力發電廠在燃燒後所產生的廢棄物，其主要成分為 SiO₂、AI₂O₃ 和 CaO。飛灰會和水泥中的強鹼進行卜作嵐反應（pozzolanic reaction），該反應是透過 SiO₂ 和 AI₂O₃ 等物質與強鹼反應形成膠體。因此加入飛灰到混凝土中，不僅能降低 pH 值，產生的膠體也可用來填補孔隙並膠結骨材，以更好的填塞混凝土中的孔隙。

混凝土中的細菌種類

研究已知有多種細菌能生長在混凝土的表面，而當混凝土因 ASR 或其他因素產生裂縫後，細菌也能從表面進入到混凝土內部，而這就有可能會對混凝土產生進一步的影響。由於混凝土是世界上最常見的建材，為了確保建築物、橋梁和道路的結構安全，越來越多科學家開始關注生存在此的微生物群，與其可能對混凝土所造成的影響。

過往的研究已證實混凝土內部確實有細菌生長，但這些研究的主要對象是隨著裂縫從表面進入混凝土之中的細菌。而美國德拉瓦大學的研究團隊更進一步，研究「本來」就生活在混凝土內部的細菌^[1]。

為了進行研究，研究團隊製作了兩種混凝土樣本：一般混凝土和加入飛灰的混凝土，並將這兩種樣本放在屋頂上模擬自然風化的環境，然後每六週進行一次取樣分析，以了解混凝土內部的細菌組成。

他們最初的設想是，沒有加入飛灰的樣本會因 ASR 產生更多裂縫，這樣混凝土表面的細菌進入到內部的機會就更大，這就會讓兩種混凝土內部的細菌種類會隨著時間推移而有所不同。

在持續兩年的分析和追蹤後，研究團隊發現混凝土內部的細菌組成主要為變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria）這三大類。雖然這三大類細菌是主要組成，不過隨著時間推移和季節的改變，混凝土內部的細菌組成也會有所不同。舉例來說，實驗初期的細菌種類明顯較多，但隨著時間的推移，細菌的多樣性會持續下降。不過這種多樣性的下降，會在溫暖多雨的夏季有短暫的反彈，只是一過了夏季，多樣性又會再次降低。

而上述的結果在兩種混凝土的樣本中並沒有明顯的差異。也就是說，不論混凝土的材質是否能抗 ASR，其內部的細菌組成和變化都差不多。

研究團隊認為，這些主要菌種很可能是隨著混凝土的主要原料 – 即骨料和水泥進到混凝土內部的，因此牠們才是最能適應混凝土內強鹼、高鹽、缺水和缺乏食物環境的優勢物種。雖然在高溫多雨的季節，混凝土的外的細菌能進到內部，但牠們終究無法很好地適應混凝土的環境。所以夏季結束後，這些外來的細菌不是進入休眠狀態，就是被內部的細菌當成食物給吃掉了。也因此在有無 ASR 的情況下，混凝土內部的細菌組成都不會有太大的改變。

為了驗證混凝土內部的細菌可能是來自組成原料，研究團隊先分析了混凝土原料中的細菌組成，並和實驗初期與末期的混凝土樣本中的細菌組成做比較。結果發現，礫石（骨料的一部份）提供了混凝土內 50~60% 的細菌來源。

另一個提供細菌的重要來源是水泥，雖然水泥提供的細菌種類不像礫石那麼多，但隨著時間的推移會逐漸增加為第二多，而這個結果在有無加入飛灰的樣本中，都是一樣的。這也證實了，混凝土原料中的骨料（礫石）和水泥，是提供混凝土內部細菌組成的主要來源。

混凝土與細菌的關係

那麼這個研究的結果，能提供我們甚麼樣的資訊呢？研究團隊認為，既然混凝土內部的細菌組成是不太變動的，可以將細菌組成當作混凝土內部環境的「指標」。例如當檢測到混凝土內部的細菌組成有改變時，就表示混凝土內部的環境很可能也改變了。要知道混凝土內部環境的改變，會影響到混凝土的整體結構和安全性。

但想做這個應用，首先要確認混凝土內部環境的改變，確實也會讓細菌組成改變。另外這個研究只在美國進行兩年的實驗，因此研究的結果是否能應用到全世界的混凝土，要打一個很大的問號。畢竟混凝土所處的環境不同，其內部的細菌組成是否也會有所不同，是需要實驗驗證的。

除了做為「檢測」混凝土結構安全的指標，其實很早以前就有其他科學家提出讓細菌作為「修復」混凝土工具的想法了。這個想法的原理其實很簡單，藉由加入能產生碳酸鈣等可以填補縫隙的細菌到混凝土中，就能達到生物修復了。不過這種應用方法比起「檢驗」需要更多的實驗，畢竟我們現在連這些細菌會對混凝土產生怎樣的影響都不知道，一個弄不好，說不定本以為是修補用的細菌，最後卻變成破壞者。

雖然這個研究並不能告訴我們這些生活在混凝土內部的細菌，會對混凝土造成何種影響，但卻是一個讓我們了解細菌與混凝土之間的起頭。另外這個研究也再次證明了，即便環境再惡劣，生命自然會找到自己的出路~

參考資料

1. Kiledal EA, Keffer JL, Maresca JA. Bacterial Communities in Concrete Reflect Its Composite Nature and Change with Weathering. mSystems. 2021 May 4;6(3):e01153-20
2. 混凝土
3. Alkali–silica reaction
4. 波特蘭水泥