世界計量日│科學史上的今天：5/20

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

S編按：【科科齊打交】是我們希望與大家一起進行的對話形式，期待在討論的過程中，我們能離知識更近一些。

今天，是泛科學與泛科市集聯手推出的世界計量日特輯！要來聊聊你到底有多「長」？（什麼！你不知道泛科市集？泛科市集是……以下省略2000字）

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什麼是世界計量日？

世界計量日是每年的 5 月 20 日，（沒錯！科宅才不過什麼告白日，科宅都過計量日），這是為了紀念《米制公約》簽訂、統一全球測量系統而訂下的節日。

在法國大革命時，巴黎科學院重新定義出公尺的長度、公斤的大小，而後制定出長度、面積、體積、重量等單位，這一套十進位制的系統，便是「米制系統」。後來，法、俄、德等 17 個國家，在 1875 年 5 月 20 日簽署了米制公約，共同使用並遵守這一套系統。

沒有標準單位會怎樣？換你試試看！

但為什麼單位一致這麼重要呢？如果今天，我們拋棄現有的米制單位，試著用台灣常見的事物來當單位呢？

如此一來，我……

跟暗戀的人隔著「1 隻臺灣藍鵲」

體育課測驗必須跑完「100 個鍋貼」

抬頭仰望的臺北 101 高達「564 隻臺灣野豬」

你呢？你又會如何定義自己身邊的東西？參考這張圖，來量量看吧！

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1972 年的今天，就在要結束跨入第二天的那一剎那（格林威治標準時間的 6 月 30 日午夜），發生了一件神奇的事：世界各國標準實驗室的時鐘竟然同時出現不可能的時間！

以台灣為例，當時的時間是 7 月 1 日的 07:59:59，但下一秒時鐘顯示的竟然是 07:59:60！然後再下一秒才是 08:00:00。這是某種時空扭曲嗎？還是甚麼跨國組織的巨大陰謀？

這起事件的背後推手的確是個國際組織──國際時間局。但目的純粹是為了校正秒的標準定義改變後所造成的誤差。

一秒最初的定義是平均太陽日的 1/86400，純粹就是按一天 24小時 x 60分鐘 x 60秒劃分而來。但是地球自轉的速度並不穩定，事實上，長期而言，地球自轉會越來越慢，因此自 1960 年起改以 1900 年的地球公轉週期為計算基準，將一秒的定義改為那一年的 1/31,556,925.9747。

另一方面，波蘭裔的美國物理學家拉比（Isidor Rabi）在三○年代時就提議利用原子束穿過電磁場時，電子在兩個能階間躍遷所輻射之電磁波與電磁場達到共振時的頻率做為計時器。直到 1955 年，一些技術成熟後，英美兩國才做出銫原子鐘，共振頻率達 9,192,631,770 Hz，代表誤差幾乎只有十億分之一秒。

1967 年，國際度量衡大會通過改以銫原子鐘所用的原理定義秒，從此擺脫了與日、年的關係。然而我們日常生活還是沿用傳統的的計時方式，因此與原子鐘會有些微誤差，於是國際時間局（現已由國際度量衡局取代）遂決議每當誤差累積超過 0.9 秒，就得在每年的 6 月 30 日或 12 月 31 日的最後一秒鐘增減一秒，以便與原子鐘同步。多出來的一秒就是閏秒。1972年的 6 月 30 日就是第一次調整，至今一共已經多增加了 27 秒。最近一次的閏秒是台灣時間 2017 年 1 月 1 日 7:59:60，至於下一次……可就得問問地球囉。

不過在目前這樣的網路時代，閏秒的調整卻會造成許多不便，甚至引發災難；2012 年的那次調整就造成許多知名網站的當機。因此，早有許多聲浪主張取消閏秒，不過 2015 年國際電信聯盟的無線通信大會已表決決定，閏秒機制至少會維持到 2023 年，至於 2023 年之後會怎麼發展，就讓我們拭目以待吧！

編按：本文原完成於 2015 年，於 2018 年 6 月根據後續實際情況對內文作調整，因此與收錄版有差異。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。