燈具不只照得亮，更要照得漂亮，照明系統的「演色性」有什麼用？

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

• 撰文／劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報《黑洞旅行團，出發！（中）–黑洞種類與結構》

各位旅客好，在上一篇行前通知＜黑洞旅行團，出發！（上）＞文章中，我們介紹了本次旅行即將探訪的目的地：黑洞，它附近龐大的重力，會造成光線極度的扭曲，形成各種在地球上從未見過的獨特景象。現在就讓我們出發前往這趟旅程的目的地：CASE 星系中心的超大質量黑洞。

「航行天數 3915 日：鄰近麒麟座 X-1 黑洞。」

「各位沉睡許久的旅客，請活動活動筋骨，和我一同用 X 光望遠鏡，向外看去。在各位視線中有個非常明亮的光點，那裡便是距離地球最近的黑洞：麒麟座 X-1，距離地球約 3000 光年。由於它附近環繞物質的劇烈高速運動，彼此互相摩擦後形成極高溫的區域，而放出強烈的 X 光。」

「在廣大的宇宙中，分布著無數的黑洞，其質量分布差距非常大。從數十個太陽質量的恆星級黑洞，一直到數十億太陽質量的超大質量黑洞都存在。前者的體積小，數量也相對較多，在星系裡四處分布著；後者則是巨無霸，通常只會出現在星系的中心。」

「導遊！為什麼我們要將目的地設在數量十分稀少，且距離地球十分遙遠的超大質量黑洞呢？好不容易來到這個 X-1 黑洞，何不把我們的親近黑洞行程安排在這？」

「因為恆星級別的黑洞，它附近有非常狂暴的『潮汐力』，會撕碎任何意圖接近它的傢伙！」

潮汐力是什麼？

黑洞是由非常龐大的質量壓縮在一個極小的區域所形成，舉例來說，要形成黑洞，要將太陽的質量壓縮在約台北市大安區大小的區域[1]。龐大的質量貢獻了極強的重力；十分緻密的分佈，則導致黑洞附近極大的重力變化。當我們站在地球上時，會感受到重力（地心引力）的作用；而且由於重力與距離平方成反比，我們距離地球越遠，受到的重力會越小。因此，準確來說，當我們站在地上，我們腳所受的重力其實會比頭所受到的力稍稍來的大，只是這個「稍稍」我們完全感覺不出來（如圖一）。但是在恆星級別黑洞附近則不是這麼回事，由於龐大的質量集中在很小的區域，在靠近該黑洞表面時，頭到腳這樣的距離就足以產生非常明顯的重力差距，大到可以將各種物體直接撕裂。這種力由於是因為某一物體兩端所受重力大小不同所造成，和潮汐的成因相似，因此又被稱為「潮汐力」。

「航行天數 20xxx 日：目的地就在您的正前方」

「各位旅客午安，請大家往窗外看（圖二），外面明亮具有光環的天體，便是我們這趟旅程的目的地。」

黑洞的特徵

「黑洞看起來都長得差不多，它們有什麼特徵嗎？」

「如同看到一隻可愛的狗，我們會依照牠的毛色、體型、五官等等特徵加以分類：這隻是黃金獵犬，那隻是邊境牧羊犬…。那黑洞該如何分類呢？黑洞其實是個單純的天體，儘管它吞噬、吸收了各式各樣的物質，但最後都只化成三種特徵：質量、角動量以及電荷，或是白話一點說，就是他吃了多少東西、轉得有多快、帶有多少電。這便是著名的『黑洞無毛定理』，描述黑洞就像個光禿禿的球，表面不帶有任何複雜的資訊，所有吞噬的物質，最終都轉化成這幾種特徵。不同種類的黑洞，由於其扭曲周圍時空的方式不一樣，因此會使得周遭景色出現差異。」

「黑洞外圍可以大致分為數個區域^[2]，請各位看向這張圖（圖三）。最靠近黑洞的地方有一圈被稱為「事件視界」的邊界，這個邊界是一個絕對的單向道，任何事物只要進入事件視界，便會被龐大的重力吸入黑洞中心，即使連光也無法逃離。因此，有時候事件視界也會被稱作是黑洞的表面。」

「那黑洞裡面有什麼？」

「有趣的是，根據目前的物理理論，黑洞裡什麼都沒有，他所吸收的全部質量，全部都集中在正中心一個被稱為『奇異點』的地方。由於在極小的區域擁有極大的質量，現存的物理理論在那無法適用，是目前最前沿的物理研究感興趣的地方。如果要說那裡有什麼，我想肯定會有一群物理學家吧！」

「如果我們從事件視界往外走，會碰到『光子球層（Photon Sphere）』。當光靠近黑洞時，路徑會被曲折、彎向黑洞，在這個半徑上，重力大小恰好將光的軌跡彎曲成環狀，使得光就如同人造衛星環繞著地球一般前進。但這個軌道十分不穩定，任何擾動都可能使光落入黑洞或逃至外太空。有趣的是，若是各位前往此處（當然實際上無法，請別這麼做！），由於光線會繞著黑洞前進，因此你背後的光會繞黑洞一圈來到前方，也就是你可以直接看到自己的後腦勺！」

「若是我們再向外走，就會來到物質的最內穩定軌道，從此處向外，黑洞龐大的重力吸引著無數的物質環繞著黑洞運行，形成如同土星環般的盤狀構造，我們稱其為『吸積盤』。這裡各種物質以十分高速環繞黑洞運行，它們彼此之間的相互摩擦，會產生極高的溫度，而放出強烈的光…」

「感謝各位參與我們的黑洞旅行團，由於時間限制，今天的導覽行程就到此暫告一段落。我們這次從一個俯瞰的視角，了解黑洞附近的結構。下一個行程，我們則要想像自己化身為一道光，從遠處向著黑洞方向前進，看看最後會落入黑洞，陷入一片漆黑？或是順利逃離黑洞引力束縛，奔向附近絢爛的星系？甚至是恰到好處的進入光子球層，在黑洞附近不知疲憊的繞圈圈？這些不同的光線，組成了黑洞附近特殊的景象，也將是我們下一篇文章的重點：黑洞光線追蹤。有興趣的旅客，請盡速預約行程。」

延伸閱讀

本系列文章：
黑洞為什麼不黑？彎曲的光與重力透鏡——黑洞旅行團，出發！（上）
巨大的黑洞反而不危險？——黑洞旅行團，出發！（中）
怎麼模擬出真實的黑洞樣貌？光線追蹤技術——黑洞旅行團，出發！（下）

註解

• 註[1]：準確來說，是一個直徑相似的球體，而非一個平面。
• 註[2]：對此議題希望有更深入了解的讀者，可以觀看此 YouTube 影片：https://www.youtube.com/watch?v=zUyH3XhpLTo&ab_channel=Veritasium

參考資料

• [1]https://pansci.asia/archives/142164
• [2]https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/黑洞是橙色的-淺談甚麼是黑洞-what-are-black-holes-18c51efdbf34
• [3]Youtube : 如何理解黑洞的形象

作者／潘怡格　主編／蔡宇哲（哇賽心理學 創辦人兼總編輯）

隨著暢銷小說《哈利波特》迅速風靡全球，書迷們也非常關心作者J．K．羅琳到底是從哪裡來的靈感，可以寫下這麼生動的故事。根據羅琳的自我介紹，她常在英國愛丁堡的一間咖啡館寫作，慢慢的勾勒出霍格華茲這個充滿想像力的奇幻世界。

其實不只羅琳，還有許多的文學家，例如波特萊爾、海明威、沙特、西蒙波娃等，都喜歡聚集在咖啡館。這到底是一種時尚潮流？還是咖啡館真的有一種魔力，可以提供人們創作的靈感？

根據心理學和神經科學家對創造力的研究，發現光線和空間是很重要的影響因素，許多咖啡館的環境確實蠻符合研究中所提到的幾個條件。

實驗一：光線越昏暗，越有創意

德國心理學家安娜．史泰德爾（Anna Steidle）與她的團隊想知道「調整房間的明暗程度，會不會讓人們有更好的創造力與工作表現。」

因此，他們設計了一個實驗，邀請40個大學生，並依照房間燈光將其分成「明亮組」與「昏暗組」，在進入實驗之前會跟學生說「你正前往一個未知的星球，即將面對的是一個與地球截然不同的世界」，接著給他們 7 分鐘的時間畫出一個外星人的圖案。

評分者會依據圖案整體的創新程度，跟地球生物的相似程度、特徵的非典型程度（例如：有五隻腳、眼睛會發出雷射光）等三個面向給予分數。

實驗結果發現，昏暗組的那些人所畫的外星人有較多的非典型特徵，也比較不像一般的地球生物，因此在整體的創新程度比明亮組表現得更好。研究者認為適當的昏暗可以激發人們創意潛能，尤其是在執行需要靈感的工作時。

但是，為什麼昏暗的燈光可以激發創意呢？

安娜．史泰德爾為了找到答案，又進行了一系列的實驗，他們利用調整房間的明暗度，請參與者評估自己感到自由的程度。評估結果發現，昏暗容易讓人有一種不被拘束的感覺，而且昏暗組在答題時，比起正確率反而更在乎速度快慢，暗示著昏暗的環境讓人有更想探索的欲望而較不擔心犯錯，這樣的心態能使創造力更容易發揮出來。

這樣聽起來，太明亮的地方是不是不好呢？雖然明亮的光線對創造力沒有明顯影響，卻有利於我們做分析和評價的相關思考，因為不同於昏暗組，明亮組更在乎的是答題正確率的表現。

實驗二：天花板越高，思考越自由

除了燈光之外，行銷學家瓊．麥爾斯李維（Joan Meyers-Levy）和朱瑞（Rui Zhu）也做了一個實驗，想瞭解空間高度會不會影響人們的思考和行動方式。

研究者將實驗的參與者依照房間天花板的高度，分為「挑高組」（3.1公尺）與「一般組」（2.48公尺），在實驗室的天花板掛上燈籠，目的是為了引導參與者的視線往上看，以便讓他們有機會目測天花板的高度，接著開始進行解字謎的遊戲。

結果發現，「挑高組」在解答與「自由」相關的字詞（例如：解放、不設限）上速度快得多；但是，一旦字謎是與「限制」相關的字詞時（例如：約束、矜持），情況恰恰相反，會變得比較慢。

另一個實驗則要求參與者從10項不同的運動清單中，找出相同之處。結果，挑高組比一般組舉出更多的共同點，且這些共同點本質也較為抽象。因此研究者認為：「挑高的天花板讓參與者的心裡感受比較自由，使得思考能更抽象且具有創意。」

心理學給你的建議：利用昏暗與挑高的天花板，激發創作靈感

綜合上述研究，可以發現人的思考多少會受到環境影響，適當的昏暗與挑高的天花板，會讓我們的思考更自由，進而激發創作靈感，明亮的燈光則適合處理需要高度專心的任務。

由此可知，咖啡館的盛行不是沒有原因的，除了滿足飲食的生理需求及流行的追求外，挑高的天花板及昏黃的光線，不知不覺中也能滿足需要創意與靈感人士的需求。

在家中，我們很難擅自調整天花板的高度或是燈光明暗，因此心理學給你的建議是，下次需要靈感的時候，不妨找一間空間寬敞、燈光朦朧昏暗的咖啡館，慢慢累積創意的養分，培養靈感的來源。

參考資料：

• Freedom from constraints: Darkness and dim illumination promote creativity. Journal of Environmental psychology, 2013;35 67-80.
• The influence of ceiling height: The effect of priming on the type of processing that people use. Journal of Consumer Research. 2007;34(2), 174-186.

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本文轉載自泛科學 2018 年 3 月選書《哇賽心理學》，格子外面出版。