凡得瓦誕辰｜科學史上的今天：11/23

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

潮濕環境中就算是壁虎也會腳滑？

這引我走上另一條路徑。有鑑於凡得瓦力靠得是兩個平面之間緊密接觸，如果是像史塔克教授提到的大溪地雨林那樣潮溼的環境，會發生什麼狀況呢？有水是否會改變壁虎的抓力？或者，如我假裝專業問她的問題，潮溼的壁虎可以黏在物體上嗎？

史塔克是討論這個問題的絕佳人選。為了更透徹理解真實世界的環境如何運作，她與研究夥伴一起花了好幾年時間探究表層水對壁虎黏附力的影響。她一開始先測量大壁虎在三種玻璃樣本上的黏附力—乾燥、用水滴稍微沾濕，以及完全浸泡在水中。

壁虎被放置在各個表面上，再用小型電動吊帶輕輕往後拖（沒錯，你沒看錯），直到牠們的四足全都移動。這能讓研究人員測量克服壁虎黏性所需的力量—稱為最大剪切黏附力（shearadhesion force）。

他們發現壁虎在潮溼的玻璃表面上，黏附力會明顯下降。

「這讓我們很吃驚，尤其是有那麼多種壁虎生活在高濕度、高降雨量的環境中，」史塔克說。

「我們測量了四足完全泡在水中時的最低黏附力，這時候水絕對會干擾以凡得瓦力為基礎的黏附力所需的密切接觸。」但她承認，這個狀況在野外大概沒那麼普遍。

「實際而言，相較於走進暴雨之中並踩入深水坑，壁虎更有可能接觸到僅稍微沾濕的表面。」即使如此，史塔克在稍微沾濕的表面測得的力量，還是比足趾乾燥走過乾燥玻璃的壁虎還低（或比較不黏）。

大多數情況下，牠們依然有剛剛好的抓力可以承受自己的體重，但是當環境變得潮溼，壁虎的黏附力就會開始減弱。其中發生了什麼事？

壁虎腳趾的「疏水」特性

回到第一章，我們得知液體黏附於表面的能力關乎表面能和可濕性。壁虎趾墊極度疏水。它們會有效地排斥水，所以當蜥蜴把足部伸入水坑，會在足趾周圍形成微小的氣囊；水被推開，保持足趾乾燥。但是這項除水的能力有其限制，取決於壁虎最後踩上的表面。

在史塔克的研究中，她著重在玻璃表面，這是因為玻璃具有親水性，會吸水。當壁虎的足部接觸到潮溼的玻璃，牠無法完全把水推開，如史塔克的解釋，這會中斷提供壁虎大部分抓力的凡得瓦力。

此外，壁虎的足部泡在水中過了 30 分鐘後，牠們的足趾似乎會暫時失去傑出的防潑水能力。水會湧入皮瓣，更進一步減弱牠們的抓力，使得玻璃似乎更滑。

但是如果表面本身就具疏水性，那一切對壁虎來說就簡單多了。在那樣的情況下，其足部和表面都會排斥水，因此兩者接觸時也會很乾燥。那對壁虎而言是理想的狀況—沒有水，其剛毛和匙突都能用來黏附。

這也反映出許多物種在野外會遇到的環境：從有蠟的樹葉到樹幹，疏水性表面在自然界中不足為奇。重要的是，壁虎奔跑的頻率高於行走，史塔克之後證實，這有助於牠們更有效率地甩掉足趾上的水。

鐵弗龍攀爬實驗

體悟到可濕性是壁虎抓力的關鍵因子，促使許多研究團體開始探究壁虎碰到工程性疏水表面會發生什麼事—最有名的研究是壁虎與鐵弗龍的比賽，首次討論在 1960 年代晚期開始。

德國科學家烏維．希勒（Uwe Hiller）發表的實驗指出，疏水性、表面能偏低的材料（如鐵弗龍），對壁虎而言太滑了，爬不上去。即使他用帶電粒子撞擊鐵弗龍以增加表面能，他的實驗壁虎依然難以爬得更遠。針對單一剛毛的實驗也得到一樣的結果。

所以我們也許能理解，史塔克沒有很想在 2013 年再次測試該材料的原因。「不過我的本科學生非常好奇會發生什麼狀況，所以我最後還是同意了。」他們發現的結果讓所有人都大吃一驚。根據他們的結果，活壁虎可以爬上鐵弗龍，但只有在有水的情況下才辦得到。

「就是那些罕見的發現既讓我們困惑，但也證實我們在野外所見的狀況，」史塔克說。

「我們知道壁虎可以毫不費力地爬上最滑的樹木和植物，即使在大洪水過後也一樣，所以水顯然對牠們來說不是大問題。但是我們的模型就是沒預測到在鐵弗龍的結果。」

另一個結果就沒那麼令人意外—在中度可濕的材料上，水似乎沒造成什麼差異。壁虎在潮溼和乾燥表面上都能緊緊抓附。

但是超級疏水的鐵弗龍則是異數—與我們對以凡得瓦力為基礎的黏附力的認知相反，水似乎增進了壁虎的黏附表現。

研究人員表示，這個結果並不能類推到更多的材料上，而是只特定於鐵弗龍。在那篇論文中，他們歸咎於鐵弗龍的粗糙度。乾燥時，這個粗糙度可以造成空氣隙（air gap），減少表面與壁虎匙突之間的接觸區域。潮溼時，粗糙度好像有點被消除，讓足趾可以充分地緊密接觸，獲得凡得瓦吸力。

老實說，這個解釋無法說服我，而史塔克在電話中似乎也同意我的看法。我們單純無法解釋我們的結果，或為何鐵弗龍與其他材料如此不同。在之後的實驗中，我們擾亂它的粗糙度和氟化作用（一種表面加工），以檢視有無任何變化。我們發現後者對黏附力有比較大的影響。我們懷疑靜電可能也有關係，但是還無法肯定。

壁虎黏附系統的未解謎題

壁虎黏附力的主要機制來自凡得瓦力，這似乎毫無疑問，但是我與研究人員對談，加上讀了多於我想承認的期刊論文後，我愈來愈認為不只如此。儘管我們不斷又相當密集地進行研究，我們可能還未揭露壁虎黏附系統的所有秘密。

例如，我們依然還沒全面釐清潮溼環境下的角蛋白剛毛發生什麼事。人體的毛髮極容易受濕度影響，主要是因為水有助於α- 角蛋白的鄰近股之間形成暫時的氫鍵。雖然它跟壁虎的β- 角蛋白之間有一些化學差異，但水似乎也有可能也會對其機械性特質產生作用。

歐騰毫無疑問相信這件事。他在 2011 年發表的一篇文章中，發現濕度提升得愈高，剛毛會變得愈軟，但是我們不知道在「整隻動物」規模時會怎麼運作。還有許多細胞生物學家認為角蛋白毛髮有額外的功能—蛋白質表面自然產生的正電荷似乎會進一步增強凡得瓦效應。最後， 2011 年，在一間黑暗的研究實驗室中，發現了一些神祕的壁虎腳印。

「我們發表那篇論文時並不太受歡迎」當我問起這篇論文時，史塔克笑著說。「大家都說壁虎使用的是無殘膠、乾淨的黏附系統，但是如果是這樣的話，這些腳印是哪裡來的？牠們留下了一些東西，我們從未在其他地方看到相關報告。」

史塔克跟她的研究夥伴發現殘留物含有脂質—這是通常在像蠟和油這種「滑溜」物質會發現的化合物。她也指出，這些脂質集中並環繞著剛毛，讓她認為這與角蛋白有關。但是她承認，他們還無法解釋出現這些脂質的原因，或它們究竟是哪裡來的。

「我們就是沒有答案，雖然我們懷疑那跟快速切換黏性和快速移動有關。可能就是這些脂質有助於剛毛和匙突潔淨又無塵。或是脂質可能與毛髮的結構有關聯。不管是哪個原因，都讓我們知道目前以β- 角蛋白均質柱狀物為基礎的模式並不完整。」

這些尚待解答的問題，只會讓壁虎的黏附系統更加迷人和值得研究。其性能也使其成為工程和材料科學界源源不斷的靈感來源。

——本文摘自《黏黏滑滑》，2022 年 11 月，晨星出版，未經同意請勿轉載

本文轉載自 CASE 報科學 《【物理史中的十一月】1837 年 11 月 23 日：現代分子科學之父——凡得瓦（Johannes van der Waals）的誕生》

• 文｜蕭如珀、楊信男（臺灣大學物理學系）（譯自 APS News，2021 年 11 月）

1837 年 11 月 23 日：現代分子科學之父——自學成功的科學家凡得瓦（Johannes van der Waals）的誕生。

在《費曼物理學講義》中，廣為人知的是，費曼一開始便問，人類最應該為子孫保存的是哪一則科學知識，而他的答案是：所有物質皆由原子所組成。雖然這看起來顯而易見——事實上，原子的概念可追朔到古希臘時代——然而原子的存在直到 20 世紀一直都是科學家激烈爭辯的問題。提供世界由分子組成的觀點強而有力、令人信服證據的是凡得瓦（Johannes Diderik van der Waals），他原是一位荷蘭的小學老師，物理知識大都自學而得，然而他努力不懈，終成了現代分子科學之父。

這位後來的諾貝爾獎得主於 1837 年 11 月 23 日出生在荷蘭萊登市（Leiden, the Netherlands）一個困苦的木工家庭，是家中 10 個小孩中的老大。在當時，女孩和工人階級的男孩都無機會接受嚴謹的中等教育，因此，凡得瓦早期的教育只有閱讀、寫作和基本的算術，幾乎沒有接觸自然科學的機會。

凡得瓦 14 歲離開學校去當小學老師， 24 歲時當上小學校長。他渴望更多知識，所以利用閒暇時到當地萊登大學（Leiden University）上數學、物理和天文課程，卻因為入學許可規定要考拉丁文，數度被拒絕註冊為全職學生。後來荷蘭實施全面的教育改革，推廣中學教育制度，凡得瓦致力於要成為中學教師，終於當了 10 多年的物理老師。

隨著荷蘭教育政策進一步改革，取消大學入學考拉丁文的規定，開展了凡得瓦的世界，他很快地在萊登大學通過物理和數學的資格考試，開始他的博士學業。1873 年，他終於在 36 歲時獲得博士學位。

凡得瓦的博士論文《關於氣體和液體狀態的連續性》奠定了現代熱力學的基礎，終於讓他於 1910 年獲得諾貝爾物理獎。在論文中，他主張用一個統一的模型來說明氣體和液體的性質，後來成了知名的凡得瓦方程式：

（P + a/V² ）（V – b）= RT

在此，P, V, 和 T 代表物質的壓力、體積和溫度，a 和 b 是常數。

凡得瓦研究的重要性在於他調整理想氣體狀態方程式（PV = nRT），以涵蓋分子和分子間力，這種洞察力在當時分子的存在仍是激烈爭辯的議題來說，是很有遠見的，更不用說論及原子交互作用和彼此的施力了。為了表達對他的敬意，從那時開始，已被證明存在於分子之間的弱作用力都稱為凡得瓦力。

熱力學領域的巨人馬克士威（James Clerk Maxwell）在評論凡得瓦發表於《自然》（Nature）雜誌的論文時，很有先見地指出：「毫無疑問地，凡得瓦的名字很快地會被列在分子科學最前沿中。」雖然有這早來的讚譽，但凡得瓦成就所得到的認同卻來得緩慢，主要因為他的研究起初只以荷蘭文發表。直到 1877 年，凡得瓦的發現在廣泛流傳的德語雜誌《物理學年鑑》（Annalen der Physik）中被做了概述介紹後，物理界才完全明白此研究的創新本質，而激起一陣液體和氣體分子物理的研究熱潮。

因為此廣泛的讚譽，凡得瓦離開他中學物理老師的職位，接受了新成立的阿姆斯特丹大學（University of Amsterdam）的物理教授職。在被學術界拒於門外這麼久後，凡得瓦和他交往密切的同事凡特何夫（Henry van’t Hoff，第一屆諾貝爾化學獎得主）以及德富力（Hugo de Vries，開創性的遺傳學者）最終引領了新大學在荷蘭科學嶄新的黃金年代中脫穎而出。

凡得瓦隨後的成就包括對應狀態定律，此理論被視為氫和氦液化，以及接著於 1911 年發現超導性的基礎，還有早期的毛細管理論，以及二元混合物理論，其對於化學工程以及地球化學有著持續性的影響。凡得瓦也預見團簇化學和物理學的重要性，此領域的研究在最近數十年才漸熱門起來。

雖然有這許多成就，但凡得瓦是出了名的謙虛，這在他得諾貝爾獎演講的開幕詞時也許最為明顯：「現在我有此殊榮，在傑出貴賓雲集的場合討論我有關於氣體和液體本質的理論研究，我一定要克服我談論我自己以及我的研究時缺乏自信的狀況。」

凡得瓦很重視他的個人隱私。悲劇於 1881 年降臨他家，那年他太太安娜突然因肺結核病死，時年僅 34 歲，讓他極度心碎，爾後有十幾年沒有發表論文。他從未再婚，和 4 個小孩過著安靜的生活，女兒安妮持家，賈克琳是有名的詩人，約翰娜是老師，兒子約翰跟隨父親的腳步是當上物理教授。他有一位學生說：「名譽既未改變他的行為，也沒有改變他的習慣。」。

凡得瓦於 1923 年 3 月 8 日過世，享壽 85 歲，他的一生是面對逆境時堅毅的最佳榜樣。

「完全確定的是，在我所有的研究中，我深信分子確實存在，從未將它們視為是我想像的虛構之物，」凡得瓦曾如此說，「但是當我開始研究時，我感覺只有我有這樣的看法。」。