【特輯】七夕牛郎織女再聚首，情人節又是離人節？

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

七夕是牛郎織女每年一會的浪漫日子。在這麼浪漫的日子，最適合的話題當然是科學了。

多少喜鵲才夠跨越銀河？

牛郎織女在每年的七夕，即農曆七月七日，於鵲橋相聚。所謂鵲橋，就是由無數喜鵲搭建而成的橋梁，牛郎和織女各自從兩邊走到鵲橋中間，浪漫不已。

喂，等等，動保團體都去哪裡了？這不是明目張膽的虐待動物嗎？

稍安毋躁。能夠飛越銀河的當然不會是一般鳥類，可以在真空的宇宙空間中飛行的必定是神鳥啦！神鳥應該不在凡人立法規管的保護範圍內，就算真的要管也是天庭的事吧。

（謎之音：究竟真空中要翅膀有鳥用啊！）（再謎之音：究竟真空為什麼要橋梁啊！）

聽故不要駁故。我們有興趣的是究竟每年一次牛郎織女相聚要勞動多少隻神鵲呢？

假設神鵲的大小與地球上的普通喜鵲相若，而且假設鵲橋只有一層（沒有鵲踏鵲的情況出現），我們就能算出每年天庭需要出動多少隻神鵲。地球上的喜鵲（Pica）有幾個不同的種，其中歐亞喜鵲（Eurasian magpie）身長若 45 公分（其中一半是尾巴的長度）：

那麼銀河呢？在地球上望出去，我們見到的是銀河的垂直切面，因此牛郎織女跨越的其實並不是銀河的闊度，而是銀河的厚度。銀河其實就是我們身處的銀河系的圓盤，擁有千億顆恆星，從銀心到圓盤的邊緣直徑大概 5 萬多光年，但厚度卻只有 1 千光年。

1 千光年即是光線也要飛 1 千年才能跨越的距離，我們就暫且不要深究為何牛郎織女能在一個晚上橫跨這個距離了。光速等於每秒跑 299,792.458 公里，因此 1 千光年就等於 9,454,254,955,488,000 公里。神鵲排排隊，1 公里就能排 222,223 隻。所以，我們需要 9,454,254,955,488,000 × 222,223 = 2,100,952,898,973,409,824,000 隻神鵲才能橫跨 1 千光年的距離。

噢不，由於牛郎織女有兩隻腳，因此實際上需要 2 倍數目的神鵲，即是大概 42 萬億億隻神鵲才足夠。

攝影師到底在哪裡為牛郎織女拍攝 Google Doodle？

呃，我相信天庭會好好慰勞那些神鵲的。現在我們來看看 2020 年七夕時，Google 發佈的 Doodle 作品：

大家發現問題了嗎？

農曆屬於陰陽曆，即是其曆法同時基於太陽和月球的運行。農曆的月份必定始於新月（初一），中間是滿月（十五），終於新月（廿八）。七夕是農曆七月七日，因此月球此時應該是半月，但在這幅 Google Doodle 裡面卻是滿月！這令很多人大惑不解，有些人甚至嘲笑 Google 工程師的無知。

雖然我並沒有受薪於 Google，但基於科學精神，且讓我來嘗試為 Google 解圍：真的有可能在七夕拍攝得到牛郎織女在鵲橋上相聚，而背景是滿月的照片嗎？

答案是肯定的！秘訣就在於「Easy 天文地科小站」提到的「我們不能用凡夫俗子在地球上的角度看事情」。

由於牛郎、織女、神鵲們都是神仙，我們合理假設攝影師也是神仙。既然攝影師是神仙，那當然不會局限於凡人的攝影角度吧。因此，我們看看下圖，就知道這幅 Google Doodle 是如何拍攝的了。

如果你看到這裡，恭喜你，你跟我們這些科學家一樣很閒。

• 作者／泛科學知識長 鄭國威 Portnoy

一段「叛逆」與幸運交織的故事

「叛逆」是個偏負面的詞，更不用說「叛徒」了。不過就跟生物演化一樣，如果細胞裡的基因不叛逆地突變，當環境劇烈改變，適應良好、佔據主流的群體就會無所適從，反倒是看來不合時宜又不合群的少數「叛徒」，能勉力掙扎，突圍而出——如果夠幸運的話。

《掀起晶片革命的天才怪咖：蕭克利與八叛徒》就是一個叛逆、掙扎，跟幸運交織而成的故事。

儘管矽谷的誕生是當代最經典、卻不常被科普書籍講述，因此令大多數人都感到陌生。作者張瑞棋填補了這個空缺，而他的故事力加上科普力，讓本書足為台灣出版界給全世界的禮物。

現在看起來，全世界主流到不行，而且應該會繼續主流很久很久的半導體上中下游產業，可說是要風有風，喚雨有雨；除了企業搶產能、國家搶進駐，半導體公司更是搶人才、搶地、搶水、搶電；被擠到邊緣的所有其他產業也都只能吞忍，畢竟護國神山這帽子並不好戴。

但回到 1945 年的貝爾實驗室，當時世界第二次大戰都還沒結束，半導體是個在雲端上的概念（後來竟成為「雲端」運算的核心），蕭克利 (William Shockley) 作為少數了解量子力學且能發展應用的科學家，在頑石上敲了第一下提出場效應電晶體架構，火花霎時點亮了 20 世紀延續至今的第三次工業革命。

然而隨著作者張瑞棋的鋪陳，你會發現要點「矽」成「晶」，看似關卡在科學、在實驗，其實更在於人的性格。

個性決定命運：蕭克利與「八叛徒」

蕭克利隨後因專利而跟貝爾實驗室的夥伴鬧翻，其他人也受不了他的脾氣，然而才氣與名氣同樣巨大的蕭克利順利取得企業投資，在加州史丹佛大學工業園區創業設立新實驗室，展開徵才。慧眼獨具的他讓新實驗室人才濟濟，卻屢屢情緒失控，不但痛斥這些好不容易找來，跟他比肩的天才們，也無法領導公司邁入生產銷售，不斷想追求更新的科技。

這樣的領導失敗讓其中的八人萌生叛逆之心，如同蕭克利叛出貝爾實驗室，「八叛徒」叛出蕭克利麾下，成立的快捷半導體（Fairchild Semiconductor），也依賴創新融資跟股權分配方式，激勵創業者拼命成功。

這樣的環境激勵更多「叛徒」新創，成為延續至今，已全球化的矽谷文化，英文裡的 rebel 叛逆者，幾乎已無貶義，而有革命英雄氣息。

本書類似紀錄片，以精彩故事手法重現真實歷史。這些真實人物之間生動的對話跟交鋒，又宛如流暢的舞台劇腳本，即使不熟悉相關物理跟電腦科學，也能體會情節的趣味起伏。各小節後插入的「知識 +」欄位，則讓想了解科技的讀者，無分年紀資歷，都能輕鬆掌握、提升「半導體素養」！

身為台灣人，要是不會泡珍奶、炸雞排、聊半導體，就不夠台啦！如果你最後這項技能還沒點，這本書先讀起來吧～

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖：蕭克利與八叛徒》，2022 年 7 月，親子天下，未經同意請勿轉載。