什麼？一邊上廁所還能一邊學恆星演化？！

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

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文｜歐柏昇
• 美術設計｜林洵安

為什麼要研究宇宙中的複雜分子？

生命如何在宇宙中起源？這是天文學家關注的一個大哉問，也許我們可以從星際中的複雜分子，獲得一些可能線索。「研之有物」團隊專訪中央研究院天文及天文物理研究所呂聖元副研究員，他長期研究天文化學，2020 年普查在獵戶座大星雲的恆星形成區，探測到 4 顆富含複雜分子的「熱微核」（hot corino），有助於釐清恆星誕生時周遭雲氣的化學演化。

尋找星際中的複雜分子

天文學家很早就知道，星際空間中存在著成分以氫氣為主的分子雲（molecular cloud）。到了 1960 年代，隨著電波天文學進展，學者們在分子雲中陸續偵測到新的分子訊號。這才發現，分子雲裡面除了氫氣，還摻雜著很多不同的分子。由於分子雲是恆星與行星系統誕生的地方，不禁讓人聯想，其中或許存在一些和生命起源有關的分子。

相較於簡單分子而言，由至少 6 個以上原子構成的有機分子，天文學家稱為「複雜有機分子」（complex organic molecules），可能和生命起源有更多連結。過去天文學家就試著尋找複雜有機分子，不過早期望遠鏡靈敏度低，所以起初偵測到的分子都較為簡單。

天文學家偵測星際雲氣中分子的方法，是量測分子的轉動光譜。氣態的分子有時轉得快、有時轉得慢，當分子在不同轉動模式變換時會發出或吸收光線，而這些具有特徵的光線就構成分子的轉動光譜。

為什麼複雜分子的訊號會比較微弱呢？呂聖元說主要原因有兩個：首先，複雜分子通常需要經歷很多化學過程才能形成，所以在星際雲氣中的豐度（註1）相對來說比較低。第二，簡單分子的轉動模式比較單純，複雜分子的轉動模式卻很多，使得每條輻射譜線的亮度相對微弱而更不容易觀測。

隨著天文儀器越來越靈敏，實驗室量測到、用來比對的分子光譜數量越來越多，科學家在星際偵測到的分子種類迅速增加，並找到更多結構複雜的分子。目前已偵測到的星際分子種類，從 50 年前的個位數，增加到最近的 200 多個。進入 21 世紀後，綠堤望遠鏡（GBT）以及阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA，中研院亦參與研發建造）等新儀器相繼上線運作，搜尋複雜有機分子的成果更是突飛猛進。

雖然目前已找到的複雜有機分子，尚未能直接連結到生命起源，不過天文學家繼續努力搜尋和生命有關的分子。例如，許多學者努力在星際間尋找「甘胺酸」（Glycine），甘胺酸是一種構造相對簡單的胺基酸，是構成人體蛋白質的成分之一，若能找到這種分子，有望幫助我們掌握生命起源的線索。

在獵戶座星雲偵測到新的「熱微核」

1990 年代找到的許多複雜有機分子，都是在大質量恆星誕生的區域發現，這些地方稱為「熱分子核（hot molecular core）」或者「熱核」。發現熱核之後，天文學家進一步想：在類似太陽系的小質量恆星誕生區，是否也能找到複雜有機分子呢？

2004 年起，科學家的確在小質量恆星誕生的區域，找到了一些複雜有機分子。這些天體比起「熱核」來說，不論是大小或是質量都要來得小，因此被稱之為「熱微核（hot corino）」。

呂聖元指出，不論「熱核」或是「熱微核」，所謂的「熱」，其實只是相對一般的雲氣來說比較高溫。一般分子雲只有大約絕對溫度 10 度（10K，約 -263 ℃），非常寒冷，而熱（微）核可達大約 100K 至 200K（約 -173℃ 至 -73 ℃）。在恆星形成的過程中，部分雲氣密度變高，同時被加熱，於是可在毫米波與紅外線波段看到比較亮的區域，而「熱微核」就是相對高溫的緻密區域。

2020 年，臺灣大學的博士生許世穎和呂聖元合作發表論文，登上《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal），他們在獵戶座大星雲偵測到了 4 個新的熱微核！在此之前，已知的熱微核並不多，只有不到 20 個，主要出現在經常被觀測且已知的明亮恆星形成區。

呂聖元研究團隊採用全然不同的途徑，不去觀測已知的恆星形成區，而是像矇著眼睛般，普查獵戶座星雲中之前沒被發現、或是尚未被詳細研究過的恆星形成區域，結果就發現了裡面的熱微核。這項重要發現受惠於 ALMA 望遠鏡的高靈敏度，故可偵測到過去可能無法被看見的訊號。

事實上，幫助呂聖元團隊找到熱微核的這項 ALMA 觀測計劃，最初的目的並非尋找複雜有機分子，在呂聖元團隊看過光譜之後，才發現熱微核就在其中，可說是意外的驚喜。

那麼，偵測到新的熱微核意味著什麼？

宇宙中可能更普遍存在複雜有機分子

熱微核並不是所有恆星形成區域都能看到，但是看不到熱微核的地方是真的沒有熱微核，或者只是我們「視而不見」呢？

呂聖元團隊研究發現，目前找到的熱微核，大多仍出現在總亮度相對比較亮的恆星形成區。為什麼比較亮的地方才看得到熱微核？許世穎和呂聖元等即將發表的新論文提供了解釋：明亮的原恆星附近輻射比較強，因此可造成範圍較大的熱區，使得熱微核較容易被看到。

呂聖元進一步說明，依照目前主流的了解，複雜有機分子經常在星際塵埃表面的冰晶形成。在熱區之中，冰晶中的分子得以揮發成為氣態，而能被人們透過分子轉動光譜觀測到。明亮的原恆星附近造成較大的熱區，可能就是比較容易觀測到熱微核的原因。

如果以上的解釋正確，就表示目前找到的熱微核數量，可能只是冰山一角。可能在更多的恆星形成區都有熱微核存在，只不過有些熱微核尺度不夠大，所以在目前儀器的靈敏度下沒能偵測到。

呂聖元團隊運用 ALMA 望遠鏡的高靈敏度觀測，確實已在一些過去沒有看到熱微核的地方，找到了較黯淡的熱微核，能夠支持以上的推論。也就是說，可能許多恆星形成區都有熱微核，或者說複雜分子的分布比原先想像更加普遍。

最近還有其他研究發現，在恆星誕生之前的冷雲氣中也偵測到複雜有機分子。也就是說，雲氣還沒有加熱之前，複雜有機分子就已經在氣態中。這表示可能有除了原恆星加熱外的其他管道將冰晶中的複雜有機分子釋放出來，或是有其他的化學反應機制來形成複雜有機分子。

持續尋找生命起源的線索

複雜有機分子與生命起源的關聯，雖然尚未有明確答案，但天文學家持續探討這類分子的相關形成機制。呂聖元團隊中的博士後研究員沙德培（Dipen Sahu），近期主導研究甘胺酸的同分異構物——氨基甲酸甲酯（Methyl carbamate）在熱微核環境的形成機制。這項研究考慮了相關的化學反應，利用天文化學模型，計算出恆星形成區此分子的含量，推導的結果與針對熱微核量測出的分子含量上限一致。

呂聖元也談到複雜有機分子與生命起源研究的展望。他認為，這些研究值得以跨領域的方向來發展。國外有些研究單位，已能結合冰晶實驗、化學、天文觀測來研究複雜有機分子，而國內的學者在各個相關項目也有專長。長遠來說，如果要研究生命起源，則需結合天文學與生物學的知識，朝著「天文生物學」的方向發展。

天文學家利用 ALMA 望遠鏡的高靈敏度、高解析度觀測，不但在星際中找到更多種類的複雜有機分子，也在更多恆星形成區發現了富含複雜有機分子的「熱微核」。這些分子最終能否留在它們的太陽系，還有很多關卡要過。未來更進一步的科學研究與發現，將能幫助人們釐清星際中的化學過程，繼續向前一步回答生命起源的大哉問。

註1：一般指該分子成分相對於氫分子（H₂）的數量。好比最常見的一氧化碳分子（CO），其在星際分子雲中的豐度大約是10^-4，也就是大約每 1 萬個氫分子才有 1 個一氧化碳分子。

延伸閱讀

• 呂聖元個人網站
• 許世穎、Dipen Sahu（沙德培）、呂聖元，〈外星生命先驅？—新生恆星周邊的有機化學〉，《自然科學簡訊》第 32 卷第 4 期，2020
• McGuire B. A. (2021). 2021 Census of Interstellar, Circumstellar, Extragalactic, Protoplanetary Disk, and Exoplanetary Molecules. arXiv (Accepted for publication in the Astrophysical Journal Supplements).
• Hsu, S. Y., Liu, S. Y., Liu, T.,. . . Zhang, Q. (2020). ALMA Survey of Orion Planck Galactic Cold Clumps (ALMASOP). I. Detection of New Hot Corinos with the ACA. The Astrophysical Journal, 898(2), 107.
• Sahu, D., Liu, S. Y., Das, A., Garai, P., & Wakelam, V. (2020). Constraints of the Formation and Abundances of Methyl Carbamate, a Glycine Isomer, in Hot Corinos. The Astrophysical Journal, 899(1), 65.

• 撰文｜許世穎

本文轉載自 CASE 科學報《整個宇宙，都是我的動物園——天文化學》

整個宇宙就像是一座「分子動物園」，藉由研究的分子光譜，我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質；而由於不同的分子有著不同的「習性」，我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

天文化學是什麼？

天文學是研究宇宙間天體的自然科學，除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外，宇宙擁有很多的面向，其中一個就是本文的主題：「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學，物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等，研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用，或是與環境的交互作用。（接下來為了方便起見，我們將分子、離子等統稱為分子。）

天文學雖然是最古早的科學之一，但是天文化學這個學門，則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單：因為分子看不到呀！星星那麼大一顆，用望遠鏡都不一定能看清楚了，更何況是擺在眼前都看不到的分子呢？

因此要研究宇宙中的分子，必須要靠特別的技術才行；其中，最重要的技術之一，就是「光譜學」。

光譜（spectrum）是將光依照波長或頻率排列出來的圖案，像「彩虹」就是一種光譜，是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外，還有很多肉眼看不到的波段，例如無線電波、紅外線、紫外線、Ｘ光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜，在地球上的我們，如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話，除了可以做實驗量測以外，更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」，就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對，來得知這枚指紋是哪個人留下來的，天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對，來得知遙遠星際的另一端有哪些分子，甚至是它們的含量、溫度等（圖 1）。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學，可以參考：＜把光拆開來看：天文學中的光譜＞。

為什麼宇宙是「分子動物園」？

動物們往往能反應出當地的環境，舉例來說，看到河馬就知道那邊是有水有草的環境；看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 ^[3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的，觀察分子的分佈、含量，也可以讓我們回推物理環境。目前，我們已從星際間，觀測到了約 200 多種分子，這裡就介紹幾種常見的星際分子吧！

氫分子（molecular hydrogen, H₂）

宇宙中含量最高的分子，也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子（10⁴ cm^-3）。

分子雲是恆星、行星誕生的地方，所以了解氫分子的分佈，能幫助我們研究恆星形成。同時，氫分子能與較重的元素反應，是許多化學反應的催化劑，產生其他的分子如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、 氰基自由基（CN）等。

氫分子對天文化學來說相當重要，可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境，幾乎是不太可能觀測到（因為它是個對稱的分子，有興趣的讀者可以再進一步了解。）^[5][6]

一氧化碳（carbon monoxide, CO）

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子，一氧化碳容易觀測太多了，所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像，來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測，早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在，直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 ^[5][6][7]

氨（ammonia, NH₃）

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線，而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感，能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 ^[8][9]。

宇宙中的環境變化太大了，不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲（diffuse cloud）、密集分子雲（dense cloud）、恆星形成的熱原恆星核（hot core）等這些已經偵測到大量分子的區域，溫度分佈從 10 K～1000 K（約攝氏 -200 度到 +800 度）、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子（10² cm^-3～10¹³ cm^-3）都有！

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域（star-forming region）

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲（Orion KL）是獵戶座大分子雲中，恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現，如：甲醇（CH₃OH）、甲酸甲脂（HCOOCH₃）等，也有一些長鏈的碳分子，如：氰基乙炔（HCCCN）^[10]。

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko （comet 67P/C-G）

在近幾年的觀測資料中，科學家在這裡看到了含量極高的氧分子（molecular oxygen, O₂），這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子，而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中，卻能有高含量的氧分子存在，代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候，就已經存在周遭的環境中，並且冰封在彗星上 ^[11][12]。

天文化學所牽涉到的範圍很廣，橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子，來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子，研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源，這是現在天文化學研究的一個重點方向。

參考資料

• [1] sci-news / Astronomers Detect Organic Molecules in Starless and Prestellar Regions of Nearby Stellar Nurser
• [2] ALMA / Forest of Molecular Signals in Star Forming Galaxy
• [3] 雪霸國家公園 / 鮭魚與水質
• [4] EAS / The molecular journey from stars to disks
• [5] wiki / Molecular cloud
• [6] COSMOS / Molecular Hydrogen
• [7] NRAO / The Cold Case of Carbon Monoxide
• [8] wiki / Ammonia
• [9] Ho, P. T. P.; Townes, C. H., Interstellar ammonia, Annual Rev. Astron. Astrophys., Vol. 21, p. 239-270 (1983)
• [10] wiki / Kleinmann–Low Nebula
• [11] ESA / Molecular oxygen detected at comet 67P/C-G – ROSINA mass spectrum
• [12] wiki / 67P/Churyumov–Gerasimenko