之前介紹過火龍卷實驗，可以利用旋轉外罩網來增加空氣的旋度，讓上升的氣流跟火焰變成火龍卷，增加燃燒的效率。其實類似的機制也可以用在吸煙區的除煙室的設計上，在這影片中，除煙室中央有一個空氣吸入口，而除煙室周圍有一些空氣簾，然後空氣簾都朝同樣的順時針方向排氣來製造有旋度的空氣。
當這樣有旋度的空氣被中心的空氣吸入口集中到中心以後，就會產生龍卷的煙柱，讓煙很集中地快速被吸走。因為有龍捲的幫助，香菸的煙就更不會擴散到這區域以外的地方，而且排除的效率更好。同樣的設計也可以用在廚房排油煙間，或是需要控制氣流流動跟需要除塵的地方(生物實驗室，無塵室等等)， 所以同樣的原理雖然在火龍卷上可能會造成火災的蔓延，不過了解原理也會讓更多可能的應用被實現！
本文原發表於科學影像Scimage
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。
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：
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：
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。
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）」：
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。
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：
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。
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：
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。
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
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拖著腳步走在酷熱沙漠中的你，突然看見前方有東西出現：一片荒蕪之中竟有一池波光粼粼的水。但當你急著走向水邊，想喝點水來解渴時，那池水卻忽然消失無蹤。事實上，你看到的不是水，而是大自然以光學錯覺對你開的殘酷玩笑。
當地表溫度讓其上的空氣升溫時，就會出現海市蜃樓；路面和沙漠經常能看到此現象。吸收大量熱能的沙子和柏油會將部分熱能傳到地面上方的空氣中。暖空氣的密度比上方的冷空氣小，當光線從冷空氣進入暖空氣時，兩者的介質密度差異便會讓光線的行進路徑產生彎折。
但你的大腦並不知道光線已被彎折。當光線進入眼中時，大腦依然以為光是從前方的地面筆直地反射而來，所以我們會把被折射到地面的藍天看成地上的一池水。我們以為終於得以解渴，但一切都是錯覺。
本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 30 期（2017 年 03 月號）
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上班族閒聊的時候，只要提到搭飛機，不可免俗地都會談到機艙的空氣品質，你可以替我們解惑一下嗎？因為我們常聽到一些傳言，說機艙的空氣不僅骯髒，又充滿細菌。
骯髒、到處都是細菌、很糟糕、噁心、品質惡劣、讓人反感、不好聞、腐敗、很臭、到處都是屁味。大眾用來描述機艙空氣品質的用語中，以上這些還只是一小部分而已。外界還有為數不少的傳言，就是有些旅客聲稱，在機艙內循環的細微病菌害得他們身體不舒服，但機艙內部的空氣其實非常乾淨。
現代飛機上的旅客還有組員所呼吸的氣體，其實是由回收循環的空氣以及外界的新鮮空氣所組成。將兩種氣體混合，不單只用新鮮的空氣，這種做法更能夠調控機艙內的溫度，還可以維持一點溼度（其實只能短暫維持而已）。機艙內部的氣體是從發動機的壓縮區段而來。壓縮過後氣體溫度相當高，不過在這個區段壓縮機只是擠壓空氣，氣體並沒有跟燃料、滑油，或者是燃燒室的氣體接觸。氣體從壓縮機分流之後就會送進空調系統冷卻，隨後就由導管輸送進入機艙，中間會經過百葉窗式氣縫、通氣孔，還有旅客座位上方的冷氣口（駕駛都稱空調系統稱為「PACKs（pneumatic air cycle kit）」，這是「氣動式空氣循環裝置」的簡稱，通常一架飛機都有兩組這種裝置）。
空氣進入機艙後會持續循環，直到被吸入機身底部為止，到了這個階段，有一半的氣體被抽出機身外—由主增壓外流閥排出。這個時候，機身內的另一半氣體會跟發動機灌入的新鮮空氣混合，經過濾清器，開始新的循環。
研究顯示，跟其他密閉空間相比，擁擠的機艙內部的病菌並沒有比較多—通常還更少。製造機身底部濾清器的公司都說這些裝置屬於醫療等級，雖然我早就知道你們可能會說醫院根本是病菌的溫床，但是波音公司指出，濾清器可以捕捉空氣中百分之九十四到九十九點九的微生物，而且每兩到三分鐘就會重新換過一次空氣，遠比辦公室、電影院，或是教室的頻率高出許多。
外界一直有一個根深柢固的迷思，那就是駕駛會定時降低空氣的流量來節省燃料。令人惋惜的是，有些很可靠、頗具權威的新聞媒體也跟著附和這種無稽之談。這邊就有一個鐵證：以下這段話是取自《經濟學人》二○○九年的其中一期，裡面寫道：「一半新鮮空氣、一半則是回收循環的氣體，航空公司通常都會維持這樣子的比例。然而駕駛可以調降新鮮空氣的比例來節省燃料，有些還把新鮮空氣的比例降到只剩百分之二十。」讀到這裡的時候我都傻眼了。我特別愛這句：「有些還把新鮮空氣的比例降到只剩百分之二十。」這句話聽起來豈不是帶著濃厚的陰謀色彩嗎？
首先，駕駛無法調整飛機的空調系統，也沒辦法控制兩種氣體之間的比例。裝置的製造廠商早已設定好氣體的比例，也無法從駕駛艙來控制調整。在我駕駛的波音飛機上，我們可以直接調控溫度，但是只能間接控制氣流。如果你們請我「把新鮮空氣的比例降到百分之二十」，我還會很有禮貌的告訴你們我辦不到。開始飛行之前，調整的開關已經設定成自動模式，氣動式空氣循環裝置也會稍微掌控比例的調整。既然兩個發動機持續運轉，一切也都順利的運作，絕對不用擔心氣流有什麼狀況，唯有故障的時候設定才會更動。
我個人並不是很熟悉空中巴士的機型，不過我們可以跟空中巴士專家聊一聊。「空中巴士系列的飛機，從A320到比較大型的A380，這些機型都有讓駕駛調整氣流的方法，但是絕對不是《經濟學人》描述的那樣。」戴夫英格力須說，他是A320的駕駛，也是一名飛航作家。
戴夫解釋說空中巴士的氣流控制器有三個段位，分別標示為高（HI）、正常（NORM），還有低（LO）。「基本上大部分時間氣流控制器都是位於正常的位置，這個時候空氣流量為自動控制。如果需要快速調整氣溫，會把駕駛桿調到高的位置；位置低的功能就像名稱表示的那樣，這個段位會降低空氣流量、節省一些燃料，但是降低的幅度極小，也很少派上用場。公司會告訴我們，只有在乘客數量少於一百人的時候才能調到低。而且改變不大，乘客坐在機艙內，幾乎無法察覺任何差異。」
飛機在地面上的時候，你偶爾有可能會聞到一股強烈的氣味—飛機後推之後，機艙內很快會聞到一股刺鼻的氣味，就像是老舊的汽車或巴士排放的廢氣。通常在發動機啟動、廢氣被吸入空調組件中的時候，就會發生這種狀況。這種情況常常要怪外頭的風，風讓氣流逆向吹送，或是把煙霧吹進空調組件的進氣口。這種味道通常只會持續幾分鐘，直到發動機開始穩定運轉就會消失了。這股味道不好聞，不過這跟塞車的時候，你偶爾會在車內聞到的味道不太一樣。
如果乘客抱怨機艙的空氣太乾，這就很合情合理。沒錯，機艙內通常相當乾燥，沒什麼溼氣。機艙的溼度大概在百分之十二左右，甚至比大多數沙漠乾燥許多。飛機在高空中巡航時，機艙乾燥就是最主要的附帶結果，因為在高海拔的空中，水氣的含量很低、甚至微乎其微。提升機艙的溼度看似是一個簡單合理的解決之道，但是我們不這樣做的原因有以下幾種：首先，噴射客機需要載運大量的水，才能讓機艙充滿水氣，但是這樣不僅代價高昂，也會增加重量。加溼系統需要將水重新循環利用，水量愈多愈好，因此這個系統所費不貲，也相當複雜。這組系統確實存在：一個就要超過十萬美元，但也只能小幅提升溼度而已。腐蝕的問題也不能忽視：溼氣跟水珠會依附在機身內部，這對飛機來說傷害很大。
波音787上的濾清器能將效能發揮到百分之九十九點七，所以787的機艙空氣品質是所有商用客機中最有益人體的，溼度當然也高出許多。而且機身的整體構造較不受水氣影響，也有一個特殊的循環系統，會將乾空氣打入機艙跟外殼的夾層中。
舉出以上例子，並不是要強調旅客絕對不會在飛行時感到不適。雖然空氣很乾淨，但是太過乾燥卻對人體的鼻竇有害。乾空氣會破壞鼻黏膜的防護，病菌就更容易入侵。不過，導致乘客生病的通常不是他們所吸入的空氣，而是他們所碰的東西—廁所的門把，還有充滿細菌的托盤跟扶手等等。我不時會看到有乘客戴著口罩，跟這個方法比起來，帶一點乾洗手液在身上或許更能降低生病的機率。
如果你說飛機是散播特定疾病的潛在因素，這點我也不否認。飛機能載著我們快速地長程飛行，確實帶來很多好處，但風險也隨之而來。有一次從非洲起飛的航程結束、飛機落地之後，我發現駕駛艙內有一隻蚊子，我心想：「這隻小小的偷渡客，很容易就溜到航廈裡面咬了某個人。」想像機場內有一個毫無戒心的工作人員，他從來沒有出過國，但是卻突然染上了外來的疾病。事實上，這種情況幾年來都持續發生。這種「機場瘧疾」的案例在歐洲確實有發生過，還因為誤診或延誤就醫喪失了好幾條人命。即使這種慘劇還沒出現在美國，遲早也會發生。全球航空旅行如此有效率地把病菌從一大洲散播到另一洲，這種現象確實頗具教育意義、引人注目，但是老實說，也讓人有點心驚膽戰。
本文摘自《機艙機密：關於空中旅行，你該知道的事實》，由好人出版 出版。
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之前介紹過火龍卷實驗，可以利用旋轉外罩網來增加空氣的旋度，讓上升的氣流跟火焰變成火龍卷，增加燃燒的效率。其實類似的機制也可以用在吸煙區的除煙室的設計上，在這影片中，除煙室中央有一個空氣吸入口，而除煙室周圍有一些空氣簾，然後空氣簾都朝同樣的順時針方向排氣來製造有旋度的空氣。
當這樣有旋度的空氣被中心的空氣吸入口集中到中心以後，就會產生龍卷的煙柱，讓煙很集中地快速被吸走。因為有龍捲的幫助，香菸的煙就更不會擴散到這區域以外的地方，而且排除的效率更好。同樣的設計也可以用在廚房排油煙間，或是需要控制氣流流動跟需要除塵的地方(生物實驗室，無塵室等等)， 所以同樣的原理雖然在火龍卷上可能會造成火災的蔓延，不過了解原理也會讓更多可能的應用被實現！
本文原發表於科學影像Scimage
