超越抗污：主動擺脫的新織物塗佈

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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文／陸遙｜英國倫敦大學學院（UCL）化學系博士，現為 UCL 機械工程系博士後。研究超疏水多功能材料、固體潤濕性、流變學等。

電路中的二極管想必大家並不陌生，大名鼎鼎的 LED 就是其中的一種。在二極管中，電流只能朝單方向流動，反向則會被阻斷。但如果我告訴你，流體也有二極管，即液體在一根管子裡只能沿著一個方向定向流動、潤濕，反向則會被阻斷，你或許就要疑惑了，這是怎麼做到的呢？

近日，香港城市大學博士研究生李加乾和中國科學院上海微系統所周曉峰博士在香港城市大學王鑽開教授和美國理海大學（Lehigh University）Manoj K. Chaudhury 教授的指導下，聯合為大家展示了一種通過調整表面微觀形貌，控制液體流向的「拓撲流體二極管」（Topological liquid diode），並在《科學》雜誌的子刊《科學進展》（Science Advances）上發表了他們的研究成果[1]。

讓液體定向流動有什麼用？

「拓撲」一詞由英文 Topology 音譯而來，有研究特定地方地形、地貌的意思 [2]。王鑽開和同事們用拓撲一詞，意在表達通過對材料表面「地形地貌」（即材料表面微觀形貌）的控制，來實現流體的定向移動。

你可能會問，液體定向移動有什麼用？我可以告訴你，如果沒有液體定向移動，地球上很多動植物就都要滅絕。比如沙漠甲蟲，利用背後親水的區域收集水，再利用親水和疏水區域形成的流體通道將收集的水自發定向地運輸到嘴裡[3]。再比如仙人掌，在沙漠中通過刺來收集水氣，收集的水沿著刺的外端自發定向地傳送到仙人掌的身上 [4]。當然，這種例子並不只在沙漠中才有。像豬籠草的「嘴唇」[5] 和蜥蜴的皮膚[6] 也具有類似功能。

自然界中這些自發、定向運輸液體的例子很多都是依靠其精妙的微觀形貌實現的，本文的主角「拓撲流體二極管」也不例外。接下來我就帶大家來揭開拓撲流體二極管這項黑科技神秘的面紗。

揭開拓樸流體二極管的作用機制

在拓撲流體二極管的製造中，研究團隊用一種特殊的凹槽構建了一個複雜的表面結構（旁白 : 誰能告訴我這麼複雜的結構是怎麼想到的？！）。這個表面的總體結構是一個U型島狀陣列（U-shaped island arrays）。構成陣列的每個U型島內都有一個U型槽，槽的頂端設計了一個凹角結構（re-entrant structures）。這凹角結構可不是為了好看，而是為了改變表面的潤濕性。

根據密西根大學 Anish Tuteja 教授早期的研究[7]，這種凹角結構可以不借助任何化學修飾，讓一個親水表面變成疏水表面。那麼，以這種凹角結構可以不借助任何化學修飾，讓一個親水表面變成疏水表面。那麼，以這種凹角結構為基礎的這一系列設計，會達到什麼效果呢？當水滴滴在該表面上時，這滴水並不會像生活中常見的那樣向四處無序地舖展，而是會沿著單一方向鋪展開來。儘管在相反的方向上也會有較小程度的潤濕，但這種潤濕很快就被流體二極管截斷了。

不止是水，作者還嘗試了乙醇、甘醇（乙二醇）等其他表面張力、密度、潤濕性各不相同的液體，發現這些液體在流體二極管上也有類似現象。這證明，流體二極管具有普遍適用性。

不但是科技的躍進，也解開物理學十多年的謎題

可別小看流體二極管的設計，它解決了一個物理學中十多年來都很難解釋的現象。早在2005年，Manoj K. Chaudhury和 Ankur Chaudhury 教授發現，在一個有水滴線性排列的疏水表面上，油在初始狀態時擴展的很慢。但當油逐漸積累、連在一起並覆蓋水滴的時候，油就擴展的很快[8]。這就好比在一個僅一人能通過的胡同（疏水表面）裡，橫著幾座矮牆（水滴），想要過胡同必須要翻牆。最先爬牆的人（油）比較費力，但是當爬過去的人多了，有一部分人就會留在牆根底下幫助其他人，這樣後來的人爬牆就比較容易了。

儘管此後有一些研究試圖解釋這個現象，但對於油如何突破、克服初始階段緩慢擴展的屏障，並沒有人能給出答案，因此這也成了一個懸而未決的謎，直到最近這份研究的問世。

在研究流體二極管中液體的定向流動時，作者發現一個前驅的液體膜起著關鍵性的作用——後續的液體更願意沿著「前人」的足跡前進，先鋒部隊拉動大部隊前進。那麼這個前驅液體膜又是怎麼來的呢？這要歸結於一種叫角流動的現象（corner flow）[9]。用太空人喝咖啡——準確來說是吸咖啡——舉個例子。在太空中失重的條件下，液體的流動是自由無序的。但由於角流動效應的存在，液體更加傾向於沿著杯壁走。

在拓撲流體二極管中，會有一部分液體優先沿著柵欄的側壁流動，這部分液體抄小路鋪展，因此跑的較快，成為「先鋒部隊」。

這些「先鋒部隊」會優先「抄小路」從兩邊進入到流體二極管的 U 型槽中，形成前驅液體膜，但並不會超過凹角結構的高度。隨後而來的「大部隊」會被凹角結構所阻隔，堆積在 U 型槽裡。當被阻隔的「大部隊」液體積累到一定量時，會突破凹角結構的束縛，並與前驅液匯合，然後，就會發生「水躍現象」（hydraulic jump），「跳過」U 型島障礙，向前流動。所以從整體來看，液體在拓撲流體二極管裡的流動過程並不是連續的，而是像跨欄一樣「一跳一跳」地前進。

流體二極管的正向始終處於「導通」狀態，那麼它反向的「阻斷」狀態又是怎麼來的呢？原因還要從表面結構上找。當液體嘗試在流體二極管中反向流動的時候，被凹角結構攔住的液體「大部隊」會從上方潤濕凹角結構，凹角結構擋住了下方的「前驅液膜」，形成凹角阻隔（re-entrant pinning），這樣，後續的液體「大部隊」沒法跟前驅液膜合併，也就不能順利前進了。

控制液體的單向流動，甚至能克服重力！

儘管壓力大到一定程度的時候，液體仍然會突破凹角結構，但由於流體二極管正向「導通」狀態非常好，使得液體都願意往正向跑，因此反向的壓力很難增加到突破凹角結構的程度，就這樣，反向的「生意」就都被正向搶跑了，這就促成了液體在流體二極管上的單向流動。

研究人員還將流體二極管擺成圓形和螺旋形向大家展示宏觀上，液體自發的、長距離的定向流動現象。更逆天的一點就是，這個傳輸甚至可以克服重力！

那麼流體二極管在實際中會有什麼樣的應用呢？

首先，談到二極管，第一個想到的應該就是邏輯電路了吧。流體二極管可以構建一個個流體的邏輯門，乃至邏輯門陣列——一個流體的「邏輯電路」。這樣的「流體邏輯電路」應用在微流體控制領域，會大大加快製藥、電子冷卻等行業的發展。其次，流體控製或許也可用於散熱。設想一下，如果能讓冷卻液自發地返回到蒸發端，那可以節省多少成本和能量？

再者，這種液體自發運輸或許還可用於航空航天領域。在微重力的條件下，控制流體運動的方嚮往往需要更多的能量輸入，連喝杯咖啡都要“吸”著喝。拓撲流體二極管可以讓太空人在太空中喝到不用「吸」的咖啡！最後，我們來大膽設想一下，由於流體二極管對多種液體/流體的普遍適用性，不妨假設引進其他形式的流體，如磁流體–流體二極管/邏輯門，控制磁流體定向移動，說不定未來又會玩出什麼樣的黑科技！讓我們共同期待這項前沿技術的發展吧！

參考文獻

• Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj K. Chaudhury, Zuankai Wang, Topological liquid diode, Science Advances 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao3530.
• Topology, Merriam-Webster Dictionary, origin: International Scientific Vocabulary
• Andrew R. Parker, Chris R. Lawrence, Water capture by a desert beetle,  Nature 2001, 414, 33.
• Jie Ju, Hao Bai, Yongmei Zheng, Tianyi Zhao, Ruochen Fang, Lei Jiang, Nature Communications 2012, 3, Article number: 1247.
• Huawei Chen, Pengfei Zhang, Liwen Zhang, Hongliang Liu, Ying Jiang, Deyuan Zhang, Zhiwu Han, Lei Jiang, Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata, Nature 2016, 532, 85.
• Philipp Comanns, Gerda Buchberger, Andreas Buchsbaum, Richard Baumgartner, Alexander Kogler, Siegfried Bauer, Werner Baumgartner, Directional, passive liquid transport: the Texas horned lizard as a model for a biomimetic ‘liquid diode’, Journal of The Royal Society Interface 2015, 12, 20150415.
• Anish Tuteja, Wonjae Choi, Minglin Ma, Joseph M. Mabry, Sarah A. Mazzella, Gregory C. Rutledge, Gareth H. McKinley, Robert E. Cohen, Designing Superoleophobic Surfaces, Science 2007, 318, 1618.
• Manoj K. Chaudhury, Ankur Chaudhury, Super spreading of oil by condensed water drops, Soft Matter 2005, 1, 431.
• Mark M. Weislogel, Seth Lichter, Capillary flow in an interior corner, Journal of Fluid Mechanics 1998, 373, 349.

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文／廖英凱

有用過汽車美容用品店的撥水劑，或是幫愛車做過貴鬆鬆的美容鍍膜嗎？經過處理的表面，不僅看起來更亮晶晶，撥水性也更好，雨水滴到汽車表面時，彷彿流動性變得更好而無法留在表面上，這個現象，似乎也在大自然的蓮葉上有類似的效果。蓮葉上的水珠，總是流動的特別快，而且看起來特別的渾圓，科學家們把這個現象稱之為「蓮花效應」或「蓮葉效應」。

這些具有「蓮花效應」的材質表面，往往有疏水性與自潔性的特性。以蓮花來說，蓮葉的表面上滿布一顆顆5~15微米凸起的表皮細胞，而表皮細胞上又覆蓋一層一顆顆直徑約100nm的蠟質結晶。致使水接觸到葉子上時，因表面張力的原因讓水與葉面的接觸角大於150度而形成水珠，而當葉子有任何傾斜時，水珠就會很快地滾動流掉，並把灰塵髒污帶走，達到「出污泥而不染」的自潔效果。

了解這個大自然的奧秘之後，工研院材化所應用化學研究組黃元昌博士的團隊，正利用這個奧秘，開發出能讓物體表面也能有蓮花效應的神奇塗料。要達到這樣的神奇效果，可以分成奈米結構、微米結構、疏油材質、底膠這四個步驟來解釋。

如同蓮葉表面100奈米大小的蠟質結晶，黃博士是利用矽氧烷類的化合物，這種化合物的結構中含有有矽和氧原子所構成的主鏈結構。將這種化合物以溶凝膠（so-gel）的方式處理，將矽氧烷材料水解再縮合，而製造出直徑100nm以下的奈米顆粒。進一步再將這些奈米尺度的顆粒，聚集改質成直徑2-10微米的微米顆粒，如同蓮葉表面突起的表面細胞一般。

經過一系列的改質後，二氧化矽所形成的奈米微米結構，已可達到如蓮葉般的疏水與自潔效果。類似的技術也開始被應用在歐洲的一些產業上。然而，這樣的成效卻還不足以應付台灣的環境。這是由於我國空氣中的油性髒污較多，而油性粒子對表面的附著力更好。因此，黃博士的團隊，又再合成製造出長度約1-2nm的含氟的分子，並利用自行開發的技術將這些分子整齊排列在微米奈米顆粒的表面。這些經過特殊設計的含氟分子，擁有更低的表面能，可使油滴在塗佈防汙材料的表面後，可達到150的接觸角。

最後一步，要再將這些微米奈米顆粒給想辦法附著於玻璃或建材等地表面，而這需要仰賴底膠的選擇與微米結構的搭配。目前黃博士團隊所製造出的二氧化矽顆粒，由於同時具有微米奈米的結構，因而擁有較高的表面粗糙度。且二氧化矽顆粒也跟所選定的底膠能有結合力較強的化學鍵結。因此，能添加較多的底膠，而與塗佈材質表面結合更緊密且不易脫落。針對不同的塗佈材質，也可以選用不同的底膠與二氧化矽顆粒配方，而有應用於玻璃的透明塗料，或是應用於建材或金屬的半透明樹脂配方。覺得要洗大樓玻璃或屋頂屋簷很麻煩嗎？也許可以考慮看看這個神奇塗料，以後就讓老天爺的雨水幫你洗刷刷囉。

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