道爾吞誕辰 │ 科學史上的今天：09/06

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

• 作者／蘇仁福、曾明騰
• 繪者／Oliver Wei、卡斯威爾

此原子非彼原子

俗話說：「眼見為憑」，除了民間習俗或是崇拜超自然的宗教信仰以外，面對於無法親眼所見的事物，人們普遍抱持著懷疑與不信任的態度，過去的科學研究也是如此。

前面兩章的故事告訴我們，早期的科學，就是專注於眼前看得到、摸得到的明確對象。隨著科學技術的進步，時至今日，科學家們卻是反其道而行，投身於肉眼看不見的微觀世界中，發掘其中的蛛絲馬跡。

「原子」（atom），是組成物質的最小單位。

舉凡我們身上穿的衣服、呼吸的空氣，甚至是代步的交通工具，這一切的一切，都是由「原子」——這是在我們生活中看不見、摸不著卻又確實存在的東西——所構成。

若是你認為書寫所使用的「原子筆」（ballpoint pen）跟這裡的「原子」是一樣的話，那可就是「張飛打岳飛，打得滿天飛」啦！

萬物起源

原子的概念，是距今兩千四百年前左右，由希臘哲學家德謨克利特（Democritus）所提出。

德謨克利特認為，宇宙中有無限多個質點，它們無法被進一步分解或是破壞。萬事萬物，都是由一大堆（究竟有多少他也不知道）、非常微小（小到多小他也莫宰羊）的質點所組成。

他將這些質點稱為「原子」，或者又叫「不可分割的東西」。他認為，正是因為這些原子的大小不一，形狀也不盡相同，造成世間萬物的存在型態、顏色、味道等種種不同。

或許在德謨克利特的眼中，我們這些麻瓜口中的物質與空間，根本就是原子和虛空。

同樣的哲學時代，另一位希臘哲學家恩培多克利（Empedocles），則依據當時人們對化學較為粗淺的認知，提出了自己的原子理論。

恩培多克利認為，物質是由「火、氣、水、土」這四大元素所組成。這四大元素會依據不同的成分與比例混合，構成這個大千世界裡的萬事萬物。

用現代的眼光來看，這些與原子相關的學說或理論，根本可以算是神作——這艱澀難懂的程度，恐怕也只有神才能夠通盤理解了——更別提，當代人受教育的比例不高，不夠通俗易懂的話，還真沒有多少人能夠消化。

正因為如此，原子論被古代哲學家棄置一旁。在之後，歐洲陷入了一段宗教狂熱的黑暗時期，一直到十九世紀，科學研究才再次登上世界的大舞臺。

曼徹斯特的驕傲

由於太過微小，可想而知，原子並非顯而易見的存在。

一七九三年，英國科學家道耳吞（John Dalton）搬到曼徹斯特，成為曼徹斯特新學院的數學和自然科學教師，揭開了原子研究的序幕。

出生於貧窮家庭的他，不僅對數學與自然科學天賦極高，還具備著科學家最重要的特質：好奇心。這個特質在他的生活中處處顯現，身為一個色盲患者，他甚至好奇的研究自己的視覺缺陷，因此成為第一個發表色盲研究論文的科學家。

除了自己的疾病，道耳吞也熱愛氣象研究。終其一生，他都在進行長期的氣象觀測，直到他登出人生 online，持續了整整五十七年。

有人認為，正是這持續終身的氣象研究，讓道耳吞對大氣的成分產生了興趣。他那著名的原子論，也是在研究氣體的過程中逐漸成形。

在此之前，化學家已經發現，並且證實了許多定律，例如著名的「波以耳定律」、「質量守恆定律」、「定比定律」 等等。

這些定律，為早期的化學界逐漸建立化學元素的概念，卻依然缺乏一個完整的理論來整合說明。

一八〇三年九月六日，是道耳吞的三十七歲生日，他並沒有舉行宴會慶生，而是寫下了原子學說的基本假設。

道耳吞的原子基本假設，是簡明扼要的三項原則：

1. 原子是物質的最小單位，每種元素（element），都是由一種具有特定質量的原子所組成。
2. 當兩種元素反應，生成不同的化合物時，其中一元素與另一種元素的質量，會構成簡單的整數比。
3. 在化學反應過程中，不會產生新的原子，也不會有原子消失（或是變成其他原子）。

一八〇八年，道耳吞出版了《化學哲學的新體系》（A New System of Chemical Philosophy）一書。在書中，道耳吞詳細的闡述了他的原子論，並且以獨特的符號，向人們展示他的原子。

——本文摘自《奇怪的生物知識增加了》，2021 年 10 月，聚光文創。

說到原子量大家可能想到的就是什麼氧是 16、碳是 12……之類的元素與數字的關係，但你知道為什麼氧是 16 碳應該是 12 嗎？又或者原子量到底要用來幹嘛的呢？我想大部分的人在課堂中並不會得到比較具體的答案，所以筆者想在這裡和大家聊聊原子量到底是什麼。

原子量其實就是「一顆原子的質量」，今天如果想要測量一個物質的質量，通常是把物質放到天秤上來測量，但若要把「一顆原子」放到天秤上測量質量，並不是不可能啦，但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術，才有可能做到（當然，還有要用什麼砝碼來跟「一顆原子」平衡，什麼樣的天秤才足夠靈敏之類的問題）。

有趣的是，早在 18 世紀末期，原子量就出現了！還有具體的數字以及對照表（雖然說跟現在比起來有不少的誤差），兩百多年前可沒什麼「光聶」可以用，想必當時的科學家肯定不是用天秤量出「一顆原子」的質量，那這些原子量是怎麼出現的呢？

當年「元素」是物質的「最純形態」

在 18 世紀後期，科學家們將組成物質的「最純型態」叫做「元素」，而組成物質的「最小單位」叫做「原子」。

在十八世紀以前雖然有「原子」這種講法，但當時「原子」與我們現在所學的概念並不相同；在更早以前的人認為所有的物質拆到最小都會是同樣的原子小球，會有不同元素的差異是因為原子排列方式的不同所造成。但其實「每種元素都有屬於自己的原子」，像是氫就有氫原子、氧就有氧原子，你是什麼元素就會決定你是什麼原子。

而這些概念的確立就要討論到 18 世紀末期科學家陸續發現的「定比定律」以及「倍比定律」兩大定律。

定比定律是同一種化合物他裡面的成分質量比都會是固定的，以水為例，水中含有氫與氧，但不管是你的合成水或是野外裝到的水，他的質量比都會是 1：8，這就好像上帝的食譜一樣，每個化合物都會有自己的元素配方和指定的質量比例。

而倍比定律呢？則是成份元素如果種類相同的話，每種物質他們的相同的元素也會出現簡單的整數比關係。舉例來說，甲烷和乙烯兩個都是由碳與氫組成的化合物，這時候分析裡面碳與氫的質量組成比例，就會發現當我碳固定質量時，甲烷和乙烯的的氫質量比就會呈現 2：1。

瞭解這兩個原理之後，科學家發現了相同化合物裡面的元素質量，和不同化合物的元素質量之間，都有著微妙的比例關係；但他們有一個問題遲遲無法解決，那就是不同元素的「一份」應該分別是多重。

這時英國科學家道爾吞在 1803 年開了第一槍，他將化合物分為最簡單的二元（AB）、三元（A₂B or AB₂）以及四元（AB₃ or A₃B），並簡單粗暴的認定如果 A、B 兩種元素組合後只能有一種化合物的話，那這種化合物就會是一比一組成的二元化合物。現在看來這個判斷稍嫌武斷，但如果道爾吞沒有這樣定義的話原子量的概念就不會這麼早出來。

道爾吞依據前面的兩個定律與他提出的組成原則，將化合物中通常質量比數字都是最小的氫定為原子量 1（雖然現在我們的氫也是 1，但與這時的氫原子量概念並不完全相同），並以此為基準做了大量的原子量計算。

像是根據氨的重量分析，其中氫和氮的重量組成 20：80，那依照上面氫原子量是一的情況下，氮的原子量就是 4（現在看是錯的喇，因為當時他認為氨是 NH 但事實上氨是 NH₃）；又或者是根據水的重量分析，其中氫與氧的重量組成是 15：85，所以氧的原子量是 5.66，又再用氧的原子量去分析碳酸氣（二氧化碳），得出碳的原子量就是 4.5。

以上述的原子量推定方式來看就可以知道原子量並不是一個絕對的數字，而是一個相對質量的概念，所以原子量又可以稱之為相對原子質量。

不過你可能會覺得 18、19 世紀的原子量跟我們現在學的數字根本就不一樣，但這又是另一個故事了，我們暫且打住。

原子量的測定邏輯，基本上還是從道爾吞製作的第一張原子量表延續到現在，其概念就是「既然我們無法抓一顆原子來測定他的質量，我們還可以找出物質化合的質量比例，來找出不同元素的原子之間他們的相對質量」而這就是原子量的基本概念。

相關科學史事件

•  1789 年：愛爾蘭化學家希金斯發表《燃素與反燃素理論的比較》，除了支持拉瓦節的觀點外，他也推測原子只能按一定比例進行化合
• 1792～1802 年：李希特（J.B Richter）提出定比定律
• 1799 年：法國藥劑師普羅斯用人工與天然的鹽基碳酸銅去做測定，確定定比定律
• 1800 年：戴維在《化學和哲學研究》分析了 N₂O、NO、NO₂ 的重量組成（倍比定律的起始）
• 1801 年：貝托萊在《親和力之定律的研究》中反對定比定律
• 1803 年：道爾吞在論文中假定原子按簡單比例化合
• 1804 年：道爾吞分析甲烷和乙烯之比例，提出倍比定律
• 1808 年：道爾吞出版《化學哲學新體系》

參考資料

1. 化學通史—凡異出版
2. 化學史傳—商務印書館