新聞稿背後的科學

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

沒有線下書展，讀力仍與你同在！
自己的書展自己辦、全民讀書挺出版
泛科學聯合工頭堅、黃麗群、高琹雯等知名作家
推出全民線上書展及共讀計畫

2021 年台北國際書展原訂於 1 / 26 開始，卻因為國內疫情升溫的關係，主辦單位文化部於 20 日宣布停辦。這是台北國際書展舉辦三十多年來，連續第二次停辦，上一次則是在疫情爆發的 2020 年；原本盼望終於能在今年一解書癮的愛書人們，希望再次落空，已為書展籌備許久的出版社與IP文創業者等上下游也受到巨大衝擊。但這不能阻止讀者與好書、作者、出版人相見的決心！不只已有出版社直接自辦活動，連鎖書店、獨立書店也挺身提供免費場地響應，多家線上通路更策劃了線上書展。致力推動知識普及的全臺最大科學社群網站「PanSci 泛科學」，也拋磚引玉，聯合 Taster 美食加、旅飯、娛樂重擊等知名生活藝文網站，推出「#願讀力與你同在」共讀計畫，將於 2021 年 1 / 26 1/27 正式啟動。(update：因為網站調整花了比較長時間！延後一天啟動！)

此計畫跨界與多家出版社、通路與媒體合作，精選多份華麗的主題書單，除了邀請讀者一同「雲」共讀，更能透過閱讀、寫書評累積「讀力」點數，兌換愛書人聽到都會流口水的超級好書大禮包！原本在書展的實體活動，也會以 Podcast 的形式加入「#願讀力與你同在」，講座不再實體限定，讓書與人的精彩對話可以永流傳！此外，由於是線上活動，本次活動泛科學也會統計相關數據，在活動結束後以科學方法進行整理分析，提供給參與的出版夥伴。

米飯旅行社創辦人暨作家工頭堅、新活水總編輯與作家黃麗群、知名美食家暨作家 Liz 高琹雯都在第一時間響應並參與。泛科知識公司知識長鄭國威表示：「出版界一直是泛科學成長的最重要夥伴，我們成立十年來也從未停止推薦好書。我本來也在這次書展有一場分享，跟朋友約好要一起逛書展，聽到停辦的消息當下覺得很可惜。因此與同事立刻動作，希望能盡一份力，透過線上策展讓大家在年節前與好書相遇，當然也需要更多出版夥伴協力。」

相比於實體書展以及講座活動，線上共同策展能讓更多人次一同參與，跨越空間以及時間的藩籬，結合既有的購書通路，不論是喜歡實體書或是電子書的讀者，都能透過這次的活動，與好書以及愛書人跨時空相遇。就算防疫措施更升級，我們也能一起「防疫好讀書，在家讀好書」，願讀力與你同在。

活動將於 2021 年 1 / 26 正式啟動至 2 / 7 2 / 26 (update: 因為迴響熱烈，決定搞大一點！)，包括比書展還長很多週的密集線上策展、永久留存精彩活動紀錄，泛科學等協力夥伴將提供流量跟技術支援，歡迎出版社免費參與、將原放在書展的好書好活動在讀力秀出來！

聯絡人：鄭國威、雷雅淇（泛科知識）
Email：contact@pansci.asia、kuowei@panmedia.asia、hiaabbccdd@panmedia.asia
Phone(週一到週五上班時間): 02-2362-0699 #215 ,
mobile: 0953-679-238（鄭國威） 0953-700-089（雷雅淇）

為了解決資訊遺失的問題，霍金設想以一種特殊的方式，把一大群粒子集中射向同一個地方，這樣，當它們相遇時，它們將具有足夠的物質和能量去形成一個黑洞。然後，他研究在理論上，所有這些粒子發生交互作用後可能出現的情況。

他在都柏林演講中說：「人們從無窮遠處（即，很遠的地方）發出粒子和輻射，再回去測量無窮遠處發生了什麼事。」「人們永遠不會在中間（發生複雜交互作用的地方）去探測場的強度。」

儘管概念很簡單，但分析過程卻很複雜。為了做到這一點，霍金使用了費曼的方法：歷史總和法。記住，造就某一個可測量到的結果，背後都有無限多種可能的歷史途徑，而費曼的方法是要求你把這所有可能的歷史途徑全部加總起來：對於你正在研究中的系統的所有粒子，每個粒子可能出現「歷史」軌跡。

在追蹤碰撞過程中可能發生的演變時，霍金說，儘管絕大多數可能的歷史都會被包含進黑洞形成的過程，但有少數的歷史軌跡是不會有黑洞形成的。霍金說，這是他的主要頓悟。「我將證明資訊可以透過這種可能性而保留下來」，他說。

在那些沒有形成黑洞的歷史軌跡中，顯然不會發生黑洞資訊遺失的現象，因此，他大部分的談話內容都集中在論證，當我們把所有的歷史以費曼總和法相加時，這一小部分的歷史子集合將使得資訊可以復原：資訊透過未形成黑洞的歷史軌跡，而偷偷潛逃回來。

當然，這個簡單的邏輯背後的數學計算可以困難到是一場噩夢，而且讓霍金得出這個結論的計算過程有點神秘。

就某方面而言，為了能夠進行數學運算，霍金必須做出的幾個可疑的近似值，可謂是「極大的簡化」。他在演講中介紹了這些內容，而且承諾稍後將會把所有的細節寫成論文發表。

在描述了他的想法之後，霍金承認他賭輸了。他宣布自己錯了，資訊不會遺失，而且公正性和量子理論都是有效的。他向普雷斯基爾獻出了他應得的賭注：一套「可以從中隨意回收資訊」的百科全書。

研討會結束後，與霍金站在同一立場、認為資訊會遺失的索恩，拒絕遵循霍金的想法與認輸。「從表面上看，這是一個可愛的論點。」索恩說：「但是我還未看到細節。」普雷斯基爾接受了霍金的認輸與百科全書，但他也沒有接受霍金的論點。「說實話，」他說：「我聽不懂他所說的內容。」他說：需要看到更多細節，我才能被說服。

他們的反應是物理學家的典型反應。無論是贊成或反對霍金的人，都在等待他的細節。以前的霍金應該可以提供這些細節，但「新的霍金」卻認為他沒有足夠的時間去堅持嚴謹性的問題，他並沒有實際上去計算這些細節。

他提出了自己的想法，然後把它分配給一名研究生，在他的監督下去進行這份艱巨的計算。不幸的是，這位學生還沒完成這份工作。索恩說：「他不是一個強到可以嚇人的學生。」

在霍金報名參加都柏林的研討會時，當時所完成的計算已經夠多，讓他有信心認為這個想法會成功。然而，證明它真正可行的研究成果，卻從未完成，但對霍金而言，他對這個答案深信不疑，因此，他不願意再花費自己在這個地球上的有限時間去對此進行補救。所以，他在都柏林會議上那段籠統含糊的演講，以及發表在該研討會論文集裡的摘要短文，就是他對這個所表達過的全部想法與意見。

霍金的這場演講以及他認輸的宣言，立刻成為全球的頭版新聞，但這僅僅是一場媒體秀，算是小題大作。在他發表這段演講時，幾乎所有物理學家都已經開始相信，這些資訊並沒有遺失，但是包括霍金本人在內，沒有任何人可以證明這一點。而對於那些尚未得出結論的人來說，也沒有人因為霍金的一席話，就開始跟著他而改變想法。

看到「標籤的力量」實在令我驚訝。在霍金成名之前，陌生人有時會根據他的外表而把他看成是一個身心都有缺陷的人，而不自覺地把視線移開。但是，一旦他被宣稱為是「現代愛因斯坦」，媒體則開始大量報導他所說過的任何事情。

如果沒有他這麼一位出名的人物來參加這次的都柏林會議，那麼這將會是一場絕佳的思想漩渦，讓物理學家圍繞著這個話題進行深度討論，但是卻不會在任何報紙上出現相關報導。然而，由於有了霍金，所以這次的談話就成了一場媒體圈的「大拜拜」。

對於霍金本人來說，他的這項轉變算是一個重大時刻，甚至是一個歡樂的時刻。

對於大多數人來說，自己證明自己犯了錯，大概不會成為是件值得開香檳慶祝的事，但是，就像澤爾多維奇終於弄懂了霍金輻射的感覺一樣，霍金最為關心在意的事情始終是真相，他為了解了自己原本不了解的某件事而感到高興，特別這又是一件對物理學而言非常重要的事。

今天，距離都柏林那場研討會已經十五年了，距離霍金發現霍金輻射更是超過四十年了，相信資訊會遺失的人愈來愈少了。誠如霍金所言：幾乎所有的物理學家都相信，「如果你跳入黑洞裡，你的質能 (mass energy) 將會回歸到我們的宇宙裡」，儘管會是以一種殘破的形式，但是仍會「包含著關於你先前狀態的資訊」。儘管我們認為資訊不會丟失，但是仍然沒有確切的解釋可以說明實際發生的情況。

除了霍金提出的方案之外，還有非常多的各式各樣理論，數量之多，讓物理學家撰寫評論文章時，已經不會列出個別理論，只會列出不同的理論類別而已，而每個類別都還包含許多不同的變體。轉換過立場的霍金所堅持的立場，與大多數人所認同的觀點一致，但未必與他最初的原始想法相同—他仍持續在研究可以得出這一結論替代性理由。

雖然是斷斷續續，但是直到他過世之前，他都沒有放棄對這個問題的研究。而這也成為他最後一篇物理學術論文的主題，該論文於二○一八年在霍金辭世之後發表。