聲學稜鏡：將聲音散成彩虹——《物理雙月刊》

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

光速是宇宙的終極速限，任何的物質運動和資訊傳遞都不准超速。不過最近有人做出了最新預測，除了一般物質外，聲音的傳遞速度竟然也有最大上限？

不管是光（電磁波）還是聲音，都是以波動的形式傳播。值得注意的是，波速只會跟系統本身性質(例如：介質不同)有關，一般的繩波或是水面波同樣也是如此，不論震動得多用力或多快，都不會讓波跑的更快或更慢。

我們可以把聲波的傳遞想像成下圖中的彈簧。既然彈簧波的速度可以用彈性係數和彈簧質量來表示，同樣的，聲速應該也可以用某些性質來描述。

先從聲音的性質說起

聲音在不同材料中傳遞的差異，可以用體積模數（Bulk Modulus，簡寫 B ）來表示。體積模數代表物體在面對外部壓力時，會做出多少體積上的改變。數學上可以寫成：

等號左邊是施加的壓力，右邊是體積模數 B 乘上體積變化量占總體積的比率，負號只是習慣，這代表相同壓力下，B 值越大物體越不容易壓縮，和彈簧的 F=-kx 類似。我們知道越「硬」的彈簧反應越快，可以更快地傳遞波動；同樣地，比起在空氣中傳遞，聲速在較難壓縮的液體和固體中會比較快。因此不難看出，B 會與聲速扯上關係，而且 B 值越大聲速越快。

一般來說，聲速可以寫成：

分子就是上面提到的體積模數 B，而分母的材料密度則表示介質越稀疏，聲速越快。國中學過的聲速與溫度成正比便是這個道理，當溫度變高時，空氣體積膨脹，密度變小，因此聲速傳遞更快。

為什麼聲速有上下限？

不過公式中的 B 和材料密度都是需要透過實驗獲得的材料參數，因此很難看出聲速會有什麼上下限。如果要再往前一步，就必須進入微觀的原子尺度。想像兩個同極相斥的磁鐵，彼此互相靠近時，斥力會逐漸變大；這是因為隨著兩個相斥磁鐵逐漸靠近，抵抗靠近的磁力位能會逐漸增加。

同樣地，當原子間的鍵結能量增加，將兩顆原子拉伸或壓縮的難度會隨之上升，物體也就越不容易被壓縮。也就是說，體積模數 B 正比於單位體積內原子間的鍵結能量，巧合的是，材料密度也能寫成單位體積內的原子質量，於是我們可以將聲速寫成：

一般固態物質中，鍵結能量可由古早的波耳氫原子模型導出，大約是 α²c²m_e / 2（原子質量），α 是一大串常用的物理常數，c 是光速，m_e 是電子質量。於是我們在原子尺度的物理圖像中，得到了聲速的新公式：

公式中的英文字母都是常數，唯一重要的是原子質量，原子質量越小的聲速便越快。依照理論，聲速最快的會是原子量=1 的固態氫原子，聲速為 36100m/s 。

聽起來很厲害，實際上真的是如此嗎？

針對一系列不同原子量的固態元素，我們可以看看他們的聲速是否的確符合預期。不過因為 B 的實際值和鍵結種類，晶格結構等複雜因素有關，因此並不會完全落在理論線上，不過整體的趨勢十分吻合。

有趣的是，如果我們將新的聲速公式移項一下，會發現聲速上限對光速的比率，可以用簡單的物理常數來表示，這點是前人使料未及的。這結果或許不像光速這麼絕對，不過仍然是一次很漂亮的科學推理，也為固態物理的理論與實驗提供了嶄新的發展題材。

參考資料

1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.

• 作者／朱中亮，財團法人食品工業發展研究所資深研究員

為了生產更天然、新鮮、少添加物使用的加工食品，食品科學家積極研發各種對食品品質破壞較小的非熱加工技術，希望突破熱殺菌的極限。

本期ILSI Taiwan專欄邀請財團法人食品工業發展研究所朱中亮資深研究員介紹現代食品加工技術，包括無菌加工技術、超高溫短時間滅菌技術、冷凍乾燥、欄柵技術、薄膜除菌等殺菌技術，以及製造外觀花俏食品的擠壓加工技術。

無菌加工技術：滅菌之餘美味依舊

隨著食品科技日新月異的發展，許多食品加工技術已非是在廚房中就能辦到的程度。首先要談的「無菌加工」，絕對是能被譽為20世紀食品界重大里程碑的一項技術。

無菌加工是相對於傳統的罐頭加工發展出來的先進技術。罐頭加工將食品原料殺菁後，裝至鐵罐並封口隔絕外界環境，再透過殺菌釜高溫滅菌，將鐵罐內部的微生物都殺死後，才能常溫保存。但是這樣滅菌處理的食品因經過長時間加熱殺菌，風味並不好。

因此科學家想到，在原料填充至罐頭前先滅菌處理，而包裝容器也同樣先滅菌，使食品與容器都達到無菌狀態，最後才在無菌環境中充填並封罐，如此便能降低滅菌的溫度與時間，讓產品的美味依舊，譬如果汁就是無菌加工中最成功的商品之一。

滅菌技術強調殺菌溫度與時間的權衡，提高溫度就能大幅減少加熱時間。

譬如說罐頭要在 121℃ 下殺菌數十分鐘才能達到的滅菌效果，無菌加工則是將溫度提升至 135℃，只需要數秒鐘即可達到相同的效果，且能保留更多的食品風味。現今食品工廠中製作果汁或乳品等，在全自動化的產線中只需要一兩個人力控制機器，產品全在密閉的管線中輸送滅菌，最後才在無菌環境進行包裝。常見的利樂包、部分的包特瓶裝飲料也都是應用無菌加工技術的產品。

當我們飢腸轆轆卻不知該吃什麼時，只要撕開包裝、注入熱水，等待片刻就能享用的泡麵深獲許多人喜愛。別小看一碗簡單的泡麵，背後可是應用了許多現代食品加工技術，如：蔬菜的冷凍乾燥技術、速食麵條的油炸乾燥技術，以及即食調理包的殺菌軟袋技術等。

冷凍乾燥與傳統熱風乾燥相比，能保持食物乾燥前的外觀，其原理是先將食品中的水分凍結，然後控制在真空壓力下能直接將冰昇華為氣態水，因此食物形態能被完整保存，同時在食品中形成許多微孔也造就了食品具有較佳的復水性，冷凍乾燥的食品便能快速吸水沖泡開來；麵條則是煮熟後利用高溫油炸逼出水分，使原本水分存在的地方產生孔洞，同樣達到快速沖泡復水食用的目的。

經過乾燥後的食品本身水活性低，可以長久保存，因此不需要額外添加防腐劑。但速食麵會添加抗氧化劑，原因在於麵條油炸後含油，若不添加抗氧化劑，會造成油脂酸敗，反倒可能產生對人體有害的物質。另外，碗裝泡麵的容器也須經過高溫溶出測試，確定在熱水中泡一段時間後不會溶出對人體有害的物質，才能當作食品容器，消費者在選購上也可以安心。

食品擠壓加工技術：花俏食品外觀靠這招

擠壓加工或許沒那麼容易理解，它的做法與製作塑膠製品的原理─「塑膠射出成型」有些類似。首先將食品原料填充進擠壓機，接著經過揉合、必要時加熱，食品的特性會變得像泥狀。擠壓加工就是趁著食品在泥狀時，迅速將其噴出成形，常見的應用像是貝殼狀或螺旋狀的義大利麵、各種形狀的零食，或是現在正夯的植物肉等。

欄柵技術：多管齊下保持品質

欄柵技術的原理如同治療愛滋病的雞尾酒療法，如果給予一種藥物無法控制病毒，那就給予多種藥物進行治療，將病毒量控制到最低。罐頭食品是以高溫滅菌，讓食品中的微生物一槍斃命無法存活，但缺點是可能會使食品風味變差，並非適合所有的食品；而欄柵技術則是多管齊下的策略，結合各種控制微生物的因子，如：降低水活性、pH值、添加防腐劑、真空包裝去除氧氣或填充惰性氣體、以及冷藏等，藉由調控多種因子，以維持產品品質並延長保存期限。這項技術可謂知易行難，需要十分良好的製程管控才能辦到，在食品科技中稱為 HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points，危害分析重要管制點)，這項技術多年來已廣為食品工廠應用。

薄膜除菌技術：讓飲料好喝又能保存

薄膜除菌技術顧名思義就是使用一種能讓食品中的水與各種成分（如香氣、維生素、蛋白質等）可以通過，但細菌無法通過的薄膜，以達到除菌效果。一般現打的西瓜汁大概放置一天就腐壞不能飲用，但使用薄膜除菌技術包裝的西瓜汁，存放時間能延長到將近兩星期。而為了確定薄膜的有效性，食品科學家用已知最小的細菌測量通過薄膜的量，能減少99.999% 才能稱為有效薄膜，這也是此技術最困難之處。

高壓加工技術：超高壓殺死細菌

前述如製作罐頭的熱滅菌技術、利用膜過濾的薄膜除菌技術等都是常見的殺菌方法。但如果不希望食品被過度加熱，也無法通過薄膜時，譬如魚肉這樣的食品該如何殺菌呢？科學家發現可以對食品施以高壓將微生物殺死。

高壓加工技術的原理是藉由施以高壓，改變細胞膜的通透性，導致細胞內物質流出，或是破壞細胞的繁殖功能使細胞死亡。此項技術是將食品包裝在至容器中放入可以耐高壓很厚的鋼管中，我們稱為高壓腔，在高壓腔注滿水後用高壓泵對管內注水加壓，使腔室內部的水壓到達將近 6000 大氣壓（世界上最深的海溝壓力也「只有」2000大氣壓），就可殺死微生物。由於容器內的食物是受到來自四面八方均勻的壓力，因此並不會造成食物形狀的改變，而且加壓是在室溫甚至低溫之下進行，食物的風味也不會被破壞。這是一項可以良好保持食品色香味的技術，但相對的製造成本也比加熱殺菌高出許多。

食品高壓加工技術從發展到成熟歷時將近百年的時間，除了設備的造價高昂之外，科學家們也必須證實這種方法確實能夠殺滅食品中的細菌，並且不會造成食品品質改變，目前在加拿大、美國、英國、歐盟都已經有研究證實。

加工食品的美麗與哀愁

食品加工的目的有很多，如：提高食品的食用性、保存性、便利性、嗜好性、衛生安全、營養價值、運輸性、商業價值等，看似都立意良善，那為什麼社會上存有「加工食品就是不好的」、「加工食品就是沒營養」、「加工食品是造成文明病主因」等印象，原因出在哪裡呢？

身為一位食品研究者，當社會大眾對健康的需求日益增加時，我們的挑戰是製作出健康、少鹽、少油、少糖、無反式脂肪的食品，且無農藥殘留或毒素。然而過去的確有少數廠商並未花費足夠心力去達到這些目的，反而是為了在市場上取得競爭優勢，使用不正當手段製作產品，這毫無疑問是必須被檢討的。

本文目的是希望能讓讀者了解，市面上還存在許多並非單從字面上的名稱或感覺就能對它做出正確判斷的加工食品，也有許多運用適當的加工技術、用心實在的加工食品供民眾選擇，希望民眾能夠正確分辨出這些加工食品。

延伸閱讀

• ILSI Taiwan 專欄-2016年第4期- 食品高壓加工技術─ 熟食般的安全、更新鮮的質感

• 本文轉載自 ILSI Taiwan-2019 年第 7 期《廚房裡辦不到的加工技術─認識現代食品加工》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 ILSI Taiwan 喔！
• 作者／朱中亮│資深研究員
  德國Hohenheim大學食品科技研究所博士，現任財團法人食品工業發展研究所資深研究員。專長為食品加工與製程，目前研究技術領域為食品非熱加工技術、冷藏食品保存期限預測及溫度管理技術等。