碳14測定法│科學史上的今天：5/30

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

科幻作品中，導致世界毀滅原因的榜單上，總少不了「地磁逆轉」。這樣的情節並不只是科幻的危言聳聽，地球磁場就像地球的 AT 力場，可以阻擋來自太空的高能量粒子長驅直入，保護地球上的生靈。

地層中有些礦物可以記錄地磁方向，過去科學家由此得知地球誕生的這 45 億年以來，早已發生過好幾百次的地磁方向南北倒轉。雖然人類沒有紀錄、世界也沒有因此毀滅，但地磁逆轉對當時的生物而言，依然是一場可怕的大浩劫。

最近一次的地磁逆轉，發生在 42000 年前，新的研究告訴我們，當時還有太陽活動的改變，在這樣的共同影響下，引發一連串如末日電影情節的災難性事件：臭氧層被破壞、雷暴肆虐熱帶地區、太陽風產生壯觀的極光、北極冷空氣吹掃北美、冰蓋與冰川蔓延，造成氣候劇烈變化。

搖擺不定的地球磁極

雖然人類以指南針指引南北，但指南針指向的地磁北極，並非乖乖不變的一個定點。因地核運動的緣故，地磁北極會在地理北極——即地球自轉的軸心附近來回搖擺。地球磁極有時會發生更劇烈的變動，即前面所提的「地磁逆轉」，箇中原因科學家未有定論。  

人類首次發現地磁逆轉，就是前述發生在 42000 年前的「拉尚事件」（Laschamps event），也是被研究得最透徹的地磁逆轉。拉尚事件存在的證據散佈世界各地，最新來自澳洲塔斯馬尼亞一個天然冰河湖的沉積物岩芯。但地磁逆轉的發生，究竟會對地球的氣候與生態造成多大程度的影響，一直是科學上待釐清的疑問。來自澳洲新南威爾斯大學 (University of New South Wales) 與南澳博物館 (South Australian Museum) 的科學團隊最新的研究發現，地磁逆轉對地球帶來的衝擊比過去所想象的來得大，其影響範圍遍佈全球。 

解密地磁逆轉的羅塞塔石碑——紐西蘭貝殼杉

 世界上的最好木材之一、可以生長逾千年的紐西蘭貝殼杉（Agathis australis），又名考裏松（毛利語稱為 Kauri），在紐西蘭北部的泥潭沼澤中沉睡超過四萬年也不會腐朽，成為研究拉尚地磁逆轉事件最佳的實驗材料。

研究人員利用碳 14 定年法，分析紐西蘭貝殼杉年輪中的碳 14 比值，重現過去地球大氣層變化的高解析度時間軸。地球上所有的碳 14，都是大氣層中的氮原子，被宇宙輻射中的中子束撞擊後的產物。地球磁場會使宇宙輻射發生偏折，減少來到大氣層的宇宙輻射。因此磁場減弱時，更多的碳 14 就會誕生。結果顯示，過去研究中磁場强度的最低點、地磁逆轉之時，正好與貝殼杉記錄到的大氣層碳 14 高峰相吻合。這一發現幫助科學家建立更精準的新時間軸，突破過去待確定的疑問。

「紐西蘭貝殼杉就像羅塞塔石碑[註]，幫助我們將世界各地其他洞穴、冰芯和沼澤地所留存的環境變化記錄，連接起來。」領導這項研究計劃的 Alan Cooper 博士如此説道。

貝殼杉碳 14 的記錄，成為一個很好的校正基準，確定各個關鍵事件的時間點。地球發生的許多重大變化，如熱帶輻合帶（Intertropical Convergence Zone）和盛行西風帶（South Hemisphere Westerlies）在地磁逆轉時，突然同時改向兩極移動，為部分地區如澳洲帶來乾旱，導致一波古代巨獸的滅絕潮。而在北方，廣袤的勞倫斯冰蓋席捲如今的美國西部和加拿大地區，而歐洲的尼安德塔人也走向滅亡。

建構氣候模型，還原末日時刻

為探究大大弱化的地球磁場，對大氣的電離作用、化學與動態變化之影響，研究團隊也建構了全球尺度的化學與氣候變化關係之模型，同時調查太陽能量的改變。

當時地球磁場的强度減弱到今天的 6% 以下，是羅盤也會找不着北的程度。因此近乎失去磁場的地球，就像在充滿危險高能量粒子的太空中衣不蔽體，宇宙輻射可直接到達大氣層。而與此同時，太陽正經歷好幾次的太陽活動極小期（Grand Solar Minimum），儘管總體而言這時期的太陽活動較不頻繁，但也更不穩定，常常噴發巨大的太陽耀斑，使更强大的宇宙射線襲向地球。模型顯示，更禍不單行的是來自太空和太陽耀斑的宇宙射線，穿透大氣層上層使空氣中的分子帶電，造成一系列的化學反應，讓平流層的臭氧也流失慘重。此時期的地球表面，磁場與臭氧層的保護同時被削弱，對生物有害的宇宙輻射與紫外光比以往更強烈。

向宇宙神秘數字 42 致敬的亞當斯事件

模型所模擬的結果，與在各地觀察到自然氣候與環境改變的歷史記錄一致。氣候劇變下的末日，生物曝露在高强度的紫外線中，尼安德塔人和巨獸被無情淘汰，人類的祖先智人則躲入洞穴中。這也能解釋史前洞穴壁畫，為什麼會在四萬年前突然蓬勃出現。

地磁逆轉造成的極端氣候變遷，與太陽活動極小期，都剛好在 42000 年前同時發生。為紀念和宇宙神秘數字 42 的巧合，研究團隊將這段時間稱為「亞當斯事件」（Adams Event），以向提出這個數字的經典科幻作品《銀河便車指南》作者道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）致敬。數字 42 被喻為指向生命、宇宙和一切的終極答案。這真的是巧合嗎？沒有人知道。

註解

羅塞塔石碑：製作於公元前 196 年，由於刻有古埃及法老王詔書內容的三種不同語言版本（古埃及象形文、埃及草書、古希臘文），讓考古學家得以有機會解讀出失傳千年的埃及象形文字，因此也被喻為破解謎題的關鍵。

參考資料

1. Earth’s magnetic field broke down 42,000 years ago and caused massive sudden climate change
2. Cooper, A., Turney, C. S., Palmer, J., Hogg, A., McGlone, M., Wilmshurst, J., … & Zech, R. (2021). A global environmental crisis 42,000 years ago. Science, 371(6531), 811-818.
3. Radiocarbon dating considerations

延伸閲讀

1. 地球磁場即將反轉？
2. 跨年夜的捷運改變了地球磁場？那真是比萬磁王還要狂啊！
3. 地球磁場倒轉到底多快？洞穴石筍古地磁紀錄大解密
4.  地磁逆轉與太陽閃焰殺手

• 文／吉川彰浩

廢棄物問題將延續 50 年以上

放射性物質是危險的東西，這是眾所皆知的事，而我們選擇遠離那裡，可以的話，完全不想有任何牽扯，因此對於放射性廢棄物的處理，亦即廢爐一事，只有消極負面的印象而已，這是目前大家都有的感覺吧？

相信也有很多人是因為核電廠事故才這麼想，但若追溯歷史，其實這並不是今天才開始的事。

日本第一座核能發電廠是建於一九六三年十月二十六日、茨城縣東海村的 JPDR（Japan Power Demonstration Reactor）。在這座核電廠開始運轉的同時，如何處理放射性廢棄物的問題也就隨之展開，這可以說是從五十多年前就應該開始思考的問題。

我們經常聽到放射性廢棄物無法進行任何處理的說法。

放射性物質的性質，就是依照種類的不同，只要經過一段時間（= 半衰期）後，量就會剩下一半，變成不會釋出幅射的穩定狀態，達到「無害化」的結果。

雖說放射性物質具有放著不管就會「無害化」的性質，但有一點需要知道的是，半衰期長短依種類不同而有所差異。舉例而言，碘 131 的半衰期約為 8 天， 銫 137 約為 30 年， 鈽 239 約為 2.41 萬年，鈾 238 約為 45 億年。要等到鈽或鈾完全無害，需要極長的時間。核燃料之所以被說成最麻煩的廢棄物，也是因為它是由半衰期長的鈽與鈾所構成。

若從無害化是需要時間的角度來看，「高階放射性廢棄物無法進行任何處理」的說法可以說是正確的。不過，「雖然很難達到真正的無害化，但可以設法在盡量接近無害的狀態下進行保管」，而且「正因為是難以處理的東西，所以更要採取避免繼續增加的對策」，這就是目前核電廠在廢棄物處理上的原則。

無害化狀態下的保管技術已經確立

青森縣六所村有高階放射性廢棄物管理中心與低階放射性廢棄物管理中心這兩個放射性廢棄物的最終處置場。

前者有可以穩定保管用過核燃料的設備，是一種叫玻璃固化體的容器，可於穩定狀態下長時間保管高階輻射廢棄物，貯存量可達二八八〇支玻璃固化體。後者則是將高階放射性廢棄物以外的東西放入大型鋼桶裡保管，貯存量為四十萬個兩百公升的鋼桶，未來預計增加到六十萬個。

或許有人會想，既然已經有最終處置場，技術上又能夠保管，那不就沒有問題了嗎？但是最大的瓶頸是「這邊可以代為貯存，但請先處理成可以被接受的狀態再帶過來」。

各位也是自己做垃圾分類，然後裝到袋子裡拿去丟的吧？這是丟垃圾的人被要求遵守的規定；同理，核電廠也有丟棄放射性廢棄物的規定。如果是用過核燃料的話，就裝在一種叫護箱的容器裡，其他則必須裝在鋼桶裡才能拿去丟棄。

簡單講是裝在鋼桶裡送過去，實際上並沒有這麼單純。因為是放射性物質，所以必須在穩定的狀態下運送才行，例如運送高濃度污水時，要分成水與放射性物質，放射性物質還要經過乾燥處理以減少體積（減容化），粉狀物要用水泥或塑膠等固著成穩定的狀態（固化），才能裝入鋼桶裡運送，必須經過這樣的加工處理才行。

此處的問題是加工的難度，當中也有輻射強度高到人類不宜靠近、沒辦法輕易運送的高階放射性廢棄物。因此才會稍微轉換思考方式，採取暫時保管在發電廠內的作法。

1F 廢爐作業所產生的放射性廢棄物之所以一直保管在廠區內，主要原因就是無法加工到得以安全運出廠外。目前也持續在討論廢棄物適合運輸的狀態為何、該帶到哪，又該如何進行保管。

雖然可能有人會認為，那不是東京電力或核電業界的問題嗎？但考量到半衰期等因素，放射性廢棄物確實也是一個會遺留給下一代的問題。

思考大家都能接受的處理方式

在國外核能相關設施的廢爐用語中，有一個字叫「legacy」，就是「遺產」之意。

正如本文一開始所述，這是一個約從五十年前就開始的問題，令人不禁感嘆我們究竟留下多麼棘手的東西啊，而我們的下一代應該也會有同感吧。

另外，前文也介紹到青森縣六所村的最終處置場，但六所村的居民們是否樂意在當地見到這些設施呢？

在核電廠事故後展開的除污事業中，除污廢棄物的輻射強度雖然大幅低於福島第一核電廠的廢棄物，但包含最終保管方式在內，也引起眾多討論。若將廢爐定位在放射性廢棄物的處理，並將處分方法也納入考量範圍的話，那對我們而言是「切身相關的問題」。然而，明明是切身相關的問題，我們卻始終避之唯恐不及，同時我們也與廢爐現場保持距離。

解決這個問題所需要的並不是技術，真正需要的應該是由投身廢爐工作的人、生活在周圍的我們、地方政府機構、核能相關管制當局等，所有人共同討論並確立一套大家都能夠接受的處理方法。「大家」一起思考並執行有關廢爐的方法，是我們必須留下的遺產。

本文摘自《福島第一核電廠廢爐全紀錄》，臉譜出版，2018 年 9 月出版。