研究學者發展研究宇宙用的新型擴大器

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

文／劉奕志、李君毅、翁佳菱｜國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學課程學生

還記得當初我們對 google 眼鏡的想像嗎？只要眨眨眼就能拍照，隨著視線的移轉便能任意地縮放視窗、捲動頁面。但，你曾關注過這些功能背後的技術嗎? 

互動式穿戴裝置一直以來都是科幻電影中不可或缺的元素之一，而這些裝置只能存在於大螢幕上的原因，就是因為在現實層面上有許多問題還有待克服，除了成本的考量，還有就是對動作的偵測。由於人體的生物電訊號大多極小，為了偵測這些訊號，目前有效的技術基本上都需要搭配一台昂貴且續航力低的偵測裝置才能達成目的。理想的偵測裝置必須能偵測到極微小的動作，因此，偵測裝置最主要的部份便是放大器，但若想實現穿戴式裝置互動裝置的普及，這個放大器最好是低功耗、具有延展性，放大效果好，同時耐用且生產成本低，才能符合我們長時間配戴及使用的需求。 

電子元件中的放大器——電晶體

目前電子元件中的放大器，多半是運用「電晶體」來達到放大效果，而這些「電晶體」，又是從半導體堆疊而來的。

材料中的電子原本被束縛在價帶中，但如果給電子足夠的能量，它就有機會往上跳到傳導帶，變成可以移動的電子，一般如金屬般的導體，就是價帶跟傳導帶很接近，只要一點能量就可以變成可移動的電子，而絕緣體正好相反，就算給很大的能量，還是沒有幾個電子可以移動。

半導體正如其名，介於可以導電跟不可以導電之間，我們可藉由調整給予能量的大小，來決定材料現在能不能導電，運用此特行，可以讓半導體成為簡單的自動控制裝置，來控制電路的開、關狀態。

那由半導體組成的電晶體（Transistor）又是怎麼做出放大效果的呢？從字根上來了解 Transistor 這個字，可以發現它是由 trans（改變）跟 resistor（電阻）組成，亦即利用一個額外的接點來控制電晶體內的電阻。以電阻為例，它沒有任何的外接控制點，所以假設有 1 安培的電流從一端流入，另一端就會輸出 1 安培的電流；而電晶體多出了一個接點，倘若在這個接點上施加電壓來「通知」電晶體改變輸出端的電阻，那麼我們就能控制輸出的電流大小，這也就是電晶體作為放大器的原理。

下文提到的薄膜電晶體（Thin Film Transistors, TFT）是電晶體的一種，常用於顯示器中。藉由電流通過與否，間接控制螢幕上每個畫素產生不同的亮度，使液晶顯示器顯示出各種畫面與顏色，但一般的薄膜電晶體難以塑形，因此較難在穿戴式裝置上應用。

輕薄短小又便宜？「有機」或許就是關鍵

有機薄膜電晶體^{註 1}（Organic Thin Film Transistors, OTFT）以具有共軛鍵結^{註 2} 的高分子為主要材料。一般常見的有機高分子材料如塑膠與橡膠之所以為絕緣體，是因為其由碳氫化合物所組成的共價單鍵長鏈分子，並不具備可自由移動的電荷。而具有共軛鍵結導電高分子的主鏈，由交替的單鍵─雙鍵共軛鍵結而成，此時每一個碳原子有一個價電子未配對，這個多出來的電子可以在分子上自由移動，不被鍵結束縛，但這個價電子不易沿著整個長鏈移動，因此還需加以摻雜（doping）—— 即增加帶電載子（carrier，即載有某種物理特性、且可自由移動的粒子）的濃度，則此材料即成為導電體。 

與一般的薄膜電晶體比起來，有機薄膜電晶體有以下幾個優勢：低溫製程、製作步驟簡單、成本低廉且容易塑形，但由於有機材料中分子與分子間僅僅透過微弱的吸引力束縛在一起，不同於無機半導體中分子間透過化學鍵確實的連接在一起，此種較弱的分子間之相互作用，使它們易於形成缺陷，使得載子在傳輸時容易被缺陷所捕獲，此時需要施加較大的電壓以提供能量來將其釋放。這個未能解決的起始電壓問題，就是為什麼現今產業多使用無機半導體的原因。 

而今天這組由 Chen Jiang 團隊發現的蕭特基有機薄膜電晶體放大器 (Schottky barrier organic thin-film transistor amplifier circuit, SB-OTFT amplifier circuit)，完美的克服了上述的阻礙。 

明明電晶體千百種，為何「它」能勝出？

這組放大器以具有共軛鍵結的高分子材料 C8-BTBT ，作為有機半導體的主要成分，使其可以利用噴墨印刷技術生產（如字面意思可以被「印」出來），製造成本因此較以往常見的薄膜電晶體低上許多，具有大量生產的潛力。而且由於 C8-BTFT 的晶粒（>50μm）相對較大，可有效覆蓋整個通道，大顆晶粒在體積不變的情況下，晶粒數量較少，也可以減少晶粒間的接觸面積，有效覆蓋整個通道並減少晶粒邊界^{註 4} 和堆疊錯誤等晶體缺陷的形成，進而使此有機半導體的初始電壓降低，克服以往多數有機半導體因起始電壓高，所以在搭配電池使用時電力消耗快、續航力較差的問題。

除此之外，由於其材料特性，該放大器還具有高跨導率^{註 5}（38.2 S/A，接近理論極限 ─ 約 38.7 S/A，一般無機電晶體為 20~30 S/A）、極低功耗（<1nW）、具延展性的特質。考慮人體生物電訊號大多十分微弱，這組有機薄膜放大器的特性恰恰符合我們對於生物電訊號偵測的需求，非常適用於在生物醫學、運動科學等相關領域進行監測追蹤。 

這組放大器在經過三個月的環境暴露測試後，閾值電壓（即起始電壓，Operating voltage）的偏移小於 1mV 且傳導效率的浮動小於 1%，遠低於其他有機薄膜電晶體元件在相同條件下的表現（>100 mV, >20%），意即其具有優異的穩定性，即使在長時間運作下仍能保持原本良好的特性。

舉例來說，這個放大器可以大大的改善目前偵測人類眼電圖 (electro-oculogram，EOG) 信號的技術，意即利用偵測角膜視網膜電位來追蹤眼動，以上所述的特性改善了現今偵測器體積大、成本高、需求電源高的問題。另外，高放大功率使其有潛力偵測到極微小的波動訊號，讓我們能了解眼睛在面對虛擬環境（如景深效果）時應對的狀況。在建構虛擬實境 (Virtual Reality) 的技術上為非常重要的資訊。

有機薄膜電晶體突破對科技的想像

與傳統無機薄膜電晶體相比，有機薄膜電晶體的優勢在於製作程序簡單多樣、成本低。再者，以有機材料製成使它具有更好的柔韌性，因此物件的尺寸能做得更小、更輕，攜帶起來更方便。

在過去的有機薄膜電晶體研究中多追求載子遷移率^{註 4} 與電流開關比^{註 5} 等作為數位開關的性質提升。而此研究突破過往的窠臼，開啟了嶄新的研究方向。這組放大器能同時滿足低功耗、高放大功率與高穩定性等理想放大器應具備的性質，不僅如此，它還有優異的環境穩定度與能夠大量生產的優勢，有利於應用在生活中，而這都是其他電晶體無法做到的。 

由於目前有愈來愈多科技以互動式穿戴裝置為主軸，或許有機薄膜電晶體的發展會延續此研究發現更多可能性，使互動式穿戴裝置大量應用在生活中，突破現今對科技的想像。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告，感謝朱士維教授與程暐瀅助教的建議與協助。 

註解： 

1. 薄膜電晶體(Thin Film Transistors, TFT)：是場效電晶體的種類之一，大略的製作方式是在基板上沉積 各種不同的薄膜，如半導體主動層、介電質和金屬電極層當做通道區。 

2. 共軛鍵結(conjugated bonding)：指具有單鍵-雙鍵交替的鍵結方式，其中會有一個 p 軌域重疊，連接其中間的單鍵。它可以讓 π 電子游離通過所有相鄰對齊的 p 軌域。此 π 電子不屬於單鍵或原子，但是屬於一組的原子。最大的共軛體系是在石墨烯、石墨、導電聚合物和奈米碳管中被發現的。 

3. 跨導率(transconductance efficiency)：電晶體中描述跨導與相對應的工作電流比例關係的參數，此數 值越高代表設置到同樣工作環境時，所需要的工作電流越小，並因而減小整體功耗。一般常用的定義方式為 g_m/I_DS 其中 g_m 為跨導、I_DS為汲極電流。 

4. 載子遷移率（carrier mobility）：指載子受到外在電場的作用下，能移動的多快的指標（常用 cm²⋅V^-1⋅s^-1 作為單位） 

5. 電流開關比（on/off current ratio）：當給予的電壓大於起始電壓時，電晶體為開（on）的狀態，反之則 為關（off）的狀態，開與關兩個狀態的電流比稱為電流開關比，較大的電流開關比代表開關切換速度快，有較明顯的開關器功能。 

參考資料 

1. Jiang, C., Choi, H. W., Cheng, X., Ma, H., Hasko, D., & Nathan A. (2019) Printed subthreshold organic transistors operating at high gain and ultralow  power. Science, 363(6428), 719–723 (2019) 
2. Jia, X., Fuentes-Hernandez, C., Wang, C.-Y., Park, Y., & Kippelen B. (2018) Stable organic thin-film transistors. Science Advances, 4(1), eaao1705.