把冷泉加熱，就會得到溫泉嗎？ 關於柴山湧泉的那些事

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

泛泛泛科學 Podcast 這裡聽：

當減碳、淨零排放蔚為風潮，再生能源發電成為各國積極發展的方向。2021 年 11 月，宜蘭清水地熱發電廠正式啟用，然而「地熱發電」究竟是什麼？為何火山、溫泉多的台灣，到現在才有第一座「民營」地熱發電廠？現行的地熱發電模式，竟和你家冷氣機運作原理相近？

隨著即將到來的全民公投，發電問題也再度成為議論話題。本集 y 編將與泛科學專欄作者阿樹，探討「地熱發電」能否成為台灣發展「再生能源」的新方向？

2:21 什麼是地熱發電？

近日，宜蘭清水地熱發電廠取得執照後開始啟用。此為台灣第一座「民營」地熱發電廠，但並不是台灣第一座地熱發電廠，當地過往也曾有「公營」發電廠。「地熱」能源為由地殼抽取的天然熱能，能量來自地球內部的熔岩，阿樹也提及台灣火山多，並位處板塊交接處，因此地溫梯度（Geothermal Gradient）上升得很快（平均為每 1km 上升 30℃），十分適合發展地熱發電。

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利用地球的熱情發電吧：深層地熱發電

7:41 美國、東南亞也有地熱發電

全球地熱發電量排名前十名的國家，除了包含火山活動頻繁的冰島之外，美國源於其西岸位處太平洋、北美洲板塊交界處，並且亦有多座火山，地熱資源豐富，因此地熱發電量位居榜首；東南亞的印尼、菲律賓兩國也因擁有許多火山，地熱發電量可觀；相對而言，地熱資源排名全球第三的日本，則並沒有很多地熱發電廠。阿樹也分享到蓋電廠涉及層面頗廣，涉及環境評估、居民意願等，即便興建的是再生能源發電廠，取用土地並非想像中容易。

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12:35 地熱發電難以發展的原因

阿樹提及，早期的地熱發電有很多技術層面需克服，例如：抽取到的地下水內含礦物質，容易腐蝕發電機組，或管線內沉澱鈣化合物，導致能通過的水量減少，導致發電成本高、效益不佳的結果。過往，1981 年啟用的清水公營地熱發電廠，也因上述原因，裝置功能消耗至僅剩原先十分之一，最終只好關廠停用。同時，地熱發電抽取的熔岩、地下水，容易含有重金屬成份，發電產生的蒸氣也可能含有有毒氣體，工安風險頗高。

15:40 發電和冷氣機運作模式很像？

經現代技術改良後，研發出「雙循環系統」（Binary Cycle System）有助於地熱發電。該機組有「存在熱源」、「工作流體」（地下水）兩個封閉的循環系統，透過熱交換器以熱源加熱工作流體，使其汽化產生推力，推動發電機組發電。阿樹也解釋其「熱傳導」作用方式，近似冷氣機讓冷媒由液體蒸發成氣體，進而從中排出「冷氣」。

阿樹也解釋，此系統特殊在於「取熱不取水」。「存在熱源」的循環，採用較低沸點的物質，與流體經加熱後發電，不僅可在熱源降低時進行，相較於沸點高的物質能產生更多蒸汽，達到更好的發電效果；「工作流體」循環則是從地底抽取的地下水，經發電過程使用後，由回注井再送回地底，讓地底高溫區幫它「加熱」再利用。

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18:19 地底下的技術瓶頸

由於希望讓發電使用後的地下水，再送回地底「加熱」，因此需動用常出現於石化工業的「水力壓裂技術」（Hydraulic Fracturing），往地底注入高壓水打破岩石裂縫，製造「回注井」輸送地下水。然而，阿樹解釋由於難以確認岩層狀況，需透過鑽井或甚至使用炸藥、打地震波等探勘方式，判斷地下岩石類型確實能被「鑽破」，分析「水力壓裂」製造裂縫後，水源確實能回柱到地底高溫區。

22:06 地熱發電的「附加價值」

y 編問及發展地熱發電時，是否還能有其他「附加價值」，阿樹則回應多半可作為發電的地區，也可能發展為「溫泉遊憩觀光區」，也提及由於地熱發電所需條件較高，要找到適當地點並不容易，相對而言找到「溫泉」的機率還是比較大。他也提到，只要有較完整的地質架構圖，地質學家便可以判斷此處是否可能有溫泉。

25:11 溫泉是被「法規」定義出來的

日本及台灣皆各自以《溫泉法》訂定溫泉的「標準」，台灣《溫泉法》下的《溫泉標準》則明定，地下自然湧出或人為抽取之泉溫須達攝氏三十度，且具有陰離子或其他特殊成分，才可被稱為「溫泉」；三十度以下且仍具有上述成分，則可被稱為「冷泉」。

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30:46 為何日本台灣的溫泉很有名？

全世界都有地熱資源，但日本、台灣卻形成特殊「溫泉文化」，進而讓溫泉成為觀光名勝景點。阿樹從地科角度指出，日、台的溫泉其實未有特殊之處，而是歷史脈絡的發展讓它變得特別，「溫泉」也只是溫泉文化形成的「背景條件」而已。

• 作者／潘昌志；繪者／陳彥伶

火山爆發時會造成什麼災害呢？

可能會燒毀附近區域、造成山崩、地震和土石流。

火山噴出的熱氣，會與周圍岩石碎屑混合，形成「火山碎屑流」，溫度極高且流速極快，從山上滾下來時會燒毀並活埋一切。火山碎屑流遇到河水、雨水或雪水，會變成很像土石流的「火山泥流」，黏性高，易壓毀經過的樹與建築。

火山猛烈爆發時，會噴出大量溫度高達 900 ∼ 1200°C 的岩漿，容易引起大火，還可能伴隨地震和海嘯。

「火山灰」是什麼呢？

火山灰是火山噴發出的細小岩石粉末和玻璃顆粒。

火山灰比大部分的灰塵還要細，可以飄到遠方，不但會影響到飛航安全，也可能遮蔽陽光，造成天氣變冷。2010 年冰島的艾雅法拉火山（Eyjafjallajökull）爆發時，大量火山灰曾造成全球 10 萬次的航班被迫取消。

• 地科小故事：維蘇威火山和龐貝城

西元 79 年 10 月，義大利的維蘇威火山爆發。當時鄰近的龐貝城很快就被高速流動的火山碎屑流摧毀。直到超過 1500 年後，這座古羅馬城才被挖掘出來。

火山只有可怕的災害，完全沒有益處嗎？

火山的地熱可用來發電，也常形成溫泉。

火山底下的熱源，可用來作為「地熱發電」，也能將地下水加熱成「溫泉」，還常因特殊的地形景觀而成為知名的觀光景點。日本九州因為遍布眾多火山，形成許多知名溫泉。

火山那麼燙，科學家要怎麼研究它呢？

科學家會穿著特殊的隔熱防護裝備，近距離的調查火山。

火山岩漿的高溫超過 1000°C，因此火山學家研究活火山時，常穿戴特殊的防護裝備與防毒面罩，隔絕高溫和毒氣。若是快要爆發的火山，科學家就不會靠近，而是運用觀測站或人造衛星的數據，距監測火山活動以確保安全。

火山爆發有辦法提前知道嗎？

大部分火山噴發前都有徵兆，透過長期監測就能預警。

火山噴發前可能有地震、地表隆起；如果地底的岩漿很活躍，有些小噴氣孔噴出的化學成分也會有變化。臺灣的活火山很少，不曾發布火山預警。但在火山密集的日本，就將火山警戒分五級，數字越大代表越危險。

——本文摘自泛科學 6 月選書《地震100問：最強圖解X超酷實驗 破解一百個不可思議的地科祕密》，2020 年 4 月，親子天下。