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

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜簡克志
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

中研院原分所的推手

中央研究院原子與分子科學研究所（簡稱原分所），是國內原子科學的研究重鎮，位處於臺灣大學學區，研究領域涉及表面科學、尖端材料、原子／分子與光學、化學動態學以及生物物理。原分所第一任的籌備處主任為張昭鼎先生，他的思維與待人接物的方式，深深影響了現在的原分所。中研院「研之有物」於 2023 年 4 月專訪原分所所長陳貴賢特聘研究員，一起從他的角度認識這位謙和又有遠見的科學家。

當天是個晴朗和煦的午後，研之有物團隊和張昭鼎基金會的工作人員，來到位於臺灣大學的中研院原分所，準備拜訪陳貴賢所長。原分所位於臺大校園中心，旁邊就是醉月湖，研究所建築外觀換新之後，以典雅新穎的紅磚色拱形亮相。甫進辦公室，充滿活力的陳貴賢，看起來已經準備好和我們分享關於原分所和張昭鼎先生的故事。

原分所建立初衷

原分所成立於 1982 年，由張昭鼎擔任第一任籌備處主任（1982～1993），現任所長是陳貴賢，擔任所長已將近 7 年（2016～2023），並即將在今年 7 月 15 日交接所長職位給魏金明合聘特聘研究員。當我們問到原分所一開始是如何成立的？陳貴賢提到，原分所是當時海外學者李遠哲與浦大邦開始的構想，希望幫助臺灣發展原子與分子科學、同步輻射科學兩大領域，以跟進國際科學的研究步調。

為了和政府提出建言，李遠哲等學者邀請了全世界知名的科學家一起討論，包含吳健雄以及她的先生袁家騮，他們當時還回臺灣做了好幾場演講。經過持續的溝通與交流，最後終於事成，浦大邦主要負責同步輻射（中心落腳於新竹清華大學旁），而李遠哲就是想辦法建立原分所。

由於李遠哲當時人在美國柏克萊大學化學系任職，他迫切需要一位信任的人在臺灣幫忙。因此，他找了在學時期認識的臺大學長張昭鼎，請他負責籌備原分所，張昭鼎當時已經是臺灣無機合成化學的先驅。陳貴賢回憶道「張昭鼎是一位格局很大的人，也可以理解基層的需求」。

成立一個所並不簡單，有很多眉角要處理，比如選址就是大問題。李遠哲希望能夠促進中研院和學校之間的合作，讓年輕學生也能參與研究，最終選址於臺灣大學正中央，原分所就此成立。「對有志於科學的年輕人是非常大的福氣」，陳貴賢說。

原分所在做什麼？新興材料的研究重鎮！

話說回來，原子與分子科學研究所是研究什麼呢？看起來不是一般的物理、化學、機械等數理學術機構。陳貴賢在訪談中笑著說，「所有的物質都是原子組成的，兩個原子結合在一起就變成分子，分子繼續疊在一起就會形成固態、氣態或液態的物質。」原分所是在研究原子相關的物質科學，但陳貴賢強調，原子內還有各種基本粒子，例如質子、中子或夸克等，研究這些基本粒子屬於高能物理，不屬於原分所的研究範疇。

舉例來說，原分所的研究有大家很熟悉的半導體，以及稱為「表面科學」的重要領域。陳貴賢說，很多化學反應都會發生在物質表面，尤其太陽光如何和表面原子互動相當值得探討，他的實驗室就有研究如何透過光催化材料來進行人工光合作用。

原分所另一個重要領域是「化學反應動態學」。陳貴賢提到，過去李遠哲回臺灣時，就有從柏克萊帶回珍貴的交叉分子束設備。設備的噴嘴會噴出兩束不同的分子束，讓分子束交叉碰撞之後，觀察化學反應的動態機制。「了解化學反應怎麼發生，才有可能對它進一步控制」，陳貴賢道，他以燃燒反應為例，如何讓燃燒反應更完全、減少污染物的產生就是個大學問。

此外，陳貴賢還分享了另外兩個重要領域「尖端材料」和「生物物理」，尖端材料例如能源材料，有太陽能材料或是熱電材料等，讓未來能源發展有更多機會。生物物理例如研究生物影像的分析方法，發展各種創新的顯微技術。

原分所發展至今，即使張昭鼎在 1993 年 4 月離世，仍受到他的處世之道影響。陳貴賢回憶道，當時 1993 年元月份來到原分所，在開始長期的學術生涯之前，曾仔細瞭解張昭鼎的事跡及為人，發現他很重視基層人才，願意給年輕人機會，甚至幫忙找資源。

隨著不同的所長接任，原分所的制度和規範逐漸完善，在林聖賢、劉國平、王玉麟、及周美吟等所長的努力下，原分所逐漸進入穩定發展的狀態。王玉麟擔任所長期間為了紀念張昭鼎，在 4 樓的會議廳就命名為「張昭鼎紀念講堂」。

搶救《科學月刊》，致力於科學教育傳播

除了成立原分所之外，張昭鼎的另一項重要貢獻是《科學月刊》。《科學月刊》是臺灣本土力量孕育而生的科學雜誌，自 1970 年創刊營運到現在，是珍貴的科學傳播刊物，對於臺灣科學界的人才培養和學術交流都有好的影響。

關於《科學月刊》對臺灣早期科學界的重要性，陳貴賢說：「你做的科學研究不只是要在國際上發表成果，你甚至希望可以扎根，讓更多下一代的人可以對科學有興趣。在那個時代我想《科學月刊》幾乎是唯一的選擇。」

張昭鼎是《科學月刊》在位最久的董事長（1973～1993），1970 年代初期是《科學月刊》早年財務最艱困的時候，甚至在 1975 年內部曾經有停刊的想法，而張昭鼎與董事會最後的決策是：保留《科學月刊》，圖書業務則交由他人負責經銷。這個決定影響深遠，讓《科學月刊》度過困難的 1970 年代。

然而，張昭鼎在 1993 年不幸過世。他的離世對好友李遠哲來說是巨大的衝擊。陳貴賢提到，李遠哲曾在懷念故友文章寫道「或許真的是已到了我該回家鄉的時候了」。很多人起初以為他只是暫時回臺灣，沒想到李遠哲真的一直留在臺灣，為原分所、中研院學術界以及臺灣社會持續付出。

張昭鼎離世之後，次年張昭鼎紀念基金會隨之成立。基金會繼承張昭鼎的精神，積極推廣科學教育，在李遠哲院士倡議之下，2011 年基金會首度舉辦了「居禮夫人高中化學營」（今為瑪麗居禮科學營）。瑪麗居禮科學營的招生對象，主要是對數理化學有興趣的高中學生，在四天的營隊活動，邀請重要學者做專題演講，特別精心設計分組實驗實作，讓學員對科學研究有親身體驗。

陳貴賢分享，原本營隊主要籌備是清華大學，後來張昭鼎基金會董事希望在中研院、臺灣師範大學以及張昭鼎紀念基金會的努力下，將營隊活動轉移到臺北。感念張昭鼎對原分所的貢獻，陳貴賢沒有第二句話，全力幫忙。從 2020 年開始，瑪麗居禮科學營就順利在臺北舉辦至今。

入世的科學家——張昭鼎

在原分所服務多年的陳貴賢，雖然和張昭鼎真正相處時間很短，但對張昭鼎的為人處世印象相當深刻。陳貴賢認為，張昭鼎之所以能體會基層的需求，正是因為吃過苦，他出身於困苦家庭，小時候幾乎都在戰亂中度過；而從小得知母親與「鴨母王」朱一貴的血緣牽連，也時刻提醒張昭鼎保持不隨波逐流的反叛思維。

陳貴賢：「他不是關在象牙塔裡面的科學家，他是一個入世的、對社會關懷很深的一個人。」

不僅在學術界有影響力，張昭鼎也在社會廣泛交友，認識許多執政黨與在野黨的人，並與他們建立友誼。陳貴賢提到，這也是當初李遠哲邀請張昭鼎擔任原分所籌備處主任的原因，看重他的人脈和社會參與能力。

除了人脈廣，張昭鼎也力求資源妥善利用。陳貴賢說，之前一位芝加哥大學畢業的同仁曾經回憶，當年張昭鼎到芝加哥去招聘人才的時候，他住的旅館是 YMCA 青年旅館！其實原分所在籌備階段經費是相對充裕的，但是張昭鼎堅持不浪費，將人民的稅金用在最需要的設備添購上。「他的堅持令人敬佩」，陳貴賢說道。

陳貴賢接著回憶，在籌建原分所期間，張昭鼎與行政體系常有意見相左的情況，因為行政人員認為只有法律允許的才可以做。而張昭鼎則試圖在法律找到合情合理的談判空間，所以他在原分所籌建過程也協助突破許多公務採購障礙，提升政府的服務效率。

陳貴賢認為，張昭鼎是一個跨越族群與階級的行動家。跨越族群的意思是，張昭鼎是閩南人、也是臺灣人，但是他不會因為本省／外省、客家／閩南等不同族群，在社會參與上劃地自限。跨越階級的意思是，他的出身困苦，並不是特權或貴族家庭，所以他是入世的、走出來的人，願意服務於基層，也願意為基層服務。

陳貴賢最後感慨地說，張昭鼎是跨越了不同階級與族群的人，只可惜他離開的早。接著，陳貴賢分享自己曾經隨手寫下的一首臺語歌，在訪談中哼了起來，以紀念張昭鼎先生。

啦啦啦啦　啦啦啦啦
啦啦啦啦　啦啦啦啦
地瓜落土　才會生湠
等待春天的雨水
新希望

陳貴賢解釋，這首歌的意思是說，地瓜要放進泥土裡面，才會長出新的葉子，並等待春天的雨水到來。當春雨來的時候，就是一個新的世代。人生路途中，有些人留得比較久，有些人走得比較快。像張昭鼎先生雖然不幸離開，但後面會再有新的一代，就像代表臺灣人的地瓜一樣，堅持著地瓜精神，一直延續下去。

只有金屬會導電？

怎麼樣的材料能導電？這個問題的答案或許將永遠改寫。

芝加哥大學的研究團隊發現了一種新的合成材料，擁有塑膠般柔軟的非晶體結構，同時又有金屬般的導電性質。

講到導體，首先會想到的是老字號的金屬家族。金銀銅鐵這類材料是由單一金屬原子排列成整齊的晶格，自由電子可以穿梭其中。大約從十八世紀開始，科學家便知道常見的金屬可以用來傳導電荷，並將物質分為導體和橡膠這類的絕緣體。利用金屬電纜和元件，人們打造了公共電力網和電力火車頭，將人類社會帶進了電氣時代。

相隔許久後，二十世紀後半幾次意外的實驗讓科學家發現聚乙炔這種高分子聚合物在摻雜了些許碘原子之後，也能表現出良好的導電性。這完全顛覆了人們對於導體的認知：

原來除了金屬材料之外，塑膠聚合物也可以作為導體。

和傳統無機材料比起來，導電聚合物的製程簡單便宜，也有較好的可塑性，被俗稱為「導電塑膠」。這種突破性的材料帶來了新一波的電子產品，像是有機發光二極體（OLED）螢幕、有機太陽能電池、以及有機半導體科技等等。

儘管有著導電塑膠的響亮名號，但是導電聚合物和金屬導體一樣，都有緊密整齊的晶格結構，讓特定能量的電子可以順暢地流通。事實上，現代的固態理論認定固態材料必須要有這些整齊排列的晶格，才能有效地傳導電力。像是玻璃、黏土、橡膠這些結構無序的非晶體材料則肯定無法導電。

再一次超越想像，無序材料也能導電

不過芝加哥大學博士生 Jiaze Xie（現為普林斯頓大學博士後研究員）近期發現了另外一種可能性。他選擇了 TTFtt 這種高分子作為嘗試的目標。TTF 結構本身在數年前就已經被發現可以作為導電高分子的組成單元，但因為合成技術困難，並沒有受到研究圈的關注。Jiaze Xie 將鎳原子鑲在碳原子和硫原子組成的長鏈上，合成出全新的 NiTTFtt，開始了一系列的實驗。

在實驗室中，NiTTFtt 展現了不錯的導電性。但最令人驚訝的是，X 射線繞射結果顯示它的分子結構是無序的，沒有整齊的晶格結構。它是一種理論上不該存在的「無序高分子」導體。

事實上，NiTTFtt 的質地就像是小朋友的玩具黏土一樣，只要將一坨 NiTTFtt 黏在電路上，就可以開始導電。這表示它有著幾乎無人能敵的可塑性。除此之外，它還十分的穩定。實驗人員將它加熱到攝氏兩百多度、放在潮濕的空氣中幾十天、在它身上滴強酸強鹼，想盡各種方式考驗它，但它的導電性在各種條件下幾乎都能保持穩定，顯示其實際應用的潛力不容小覷。

這種被現有理論排除的材料為什麼有辦法存在呢？研究團隊利用掃描式電子顯微鏡和 X 光繞射的探測結果建構出了下圖的原子結構模型，企圖對這種前所未見的材料提出解釋。

以每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元。他們首先組成長長的一維長條（左），平行堆疊成千層派一樣的結構（中），並橫向排列形成立體的材料（右）。注意到每個長條排列的方向雖然一樣，但是並不需要有規律的秩序。

透過理論計算和電腦模擬，研究團隊發現長條之間即使經過平移或是扭曲，電子活動的範圍還是能維持足夠的重疊，讓電子能夠穿過不規則排列的千層派結構。也就是說，NiTTFtt 的特殊原子結構使得其導電性能在非結晶結構下屹立不搖。

獨一無二的特性，或許可以帶來更多的突破

NiTTFtt 獨一無二的材料性質顛覆了固態物理的既有認知，讓這份研究登上了《自然》期刊。由於電子產品是如此無所不在，任何關於導電材料的發展都會帶來無限的可能性。NiTTFtt 的可塑性以及耐溫耐濕耐酸鹼的超人特性開啟了許多傳統導體無法想像的機會。

研究團隊向全世界示範了有機分子只要有適當的結構，就可以在非結晶排列下維持金屬般的導體性質。他們也期待「無序高分子」導體能夠像金屬導體和導電聚合物兩位大前輩一樣，為人類社會帶來革命性的科技突破。

參考資料

• Scientists discover material that can be made like a plastic but conducts like metal
• 10.1038/s41586-022-05261-4