美國發射輻射帶風暴探測器

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

1932 年的夏天，美國愛荷華衛斯理安學院（Iowa Wesleyan College）的學生莫不趁著暑假呼朋引伴大肆玩樂，唯獨大一新生范艾倫（James Van Allen, 1914－2006）帶著借來的磁力儀，跑遍所住的亨利郡，繪製各處的地磁圖。沉醉其中的范艾倫當然料想不到有一天，他將發現包圍整個地球的「范艾倫輻射帶」。

發現范艾倫輻射帶是個意外，而這個意外又源自許多意外。例如他高中畢業後即報考海軍學院，筆試成績名列前茅，原本志在必得，卻意外因扁平足而被刷下來，所以才念大學。又例如他原本專攻低能核子物理，但取得博士學位後，卻意外爆發二次世界大戰，他因此加入海軍，轉而研究利用雷達技術的飛彈雷管。戰後，他領導小組，利用德國的 V2 火箭研究高空大氣，等於繞了一圈又回到他原本的最愛──地球科學。

1950 年，幾位物理學家在范艾倫的家中聚會，大夥兒決定應該比照「國際極地年」（International Polar Year）的模式，也辦個「國際地理物理年」（International Geophysical Year），屏除國家利益與政治立場，各國科學家攜手合作，利用雷達、火箭、計算機等新技術觀測各種與我們息息相關的自然現象。活動日期就訂在 1957 年七月到 1958 年底，預估此時正是太陽黑子最活躍的時候。

美國政府於 1955 年宣布將在國際地理物理年期間發射衛星，作為美國的支持與貢獻。就在大家引頸期盼之際，沒想到一直默不吭聲的蘇俄竟然在 1957 年 10 月 4 日搶先發射了世上第一顆人造衛星「史普尼克一號」（Sputnik 1）。這可真是個大意外，美國無論是為了面子或裡子，都得趕緊追上，終於在 1958 年 1 月 31 日成功發射「探索者一號」（Explorer 1），裡頭放了范艾倫改良的蓋格計數器，用以偵測宇宙射線。

沒想到傳回來的資料顯示，蓋格計數器的讀數隨著高度增加而迅速提高，但後來竟降為零；兩個月後發射的探索者三號上的蓋格計數器也一樣。范艾倫猜測是因為宇宙射線過強導致儀器過載而失靈所致，於是他在探索者四號上的蓋格計數器前方多加一層鉛片，果然就得到完整的紀錄，證實范艾倫輻射帶的存在。

范艾倫輻射帶是來自太陽的帶電粒子被地球的磁場捕獲而形成，外層主要是高能電子，位於地球上方一萬三千公里至六萬公里處；內層則是高能質子，在一千公里至六千公里處。兩者都以南北極為軸，形成輪胎狀將地球圍在中間，像是防護罩擋住宇宙射線，使其無法到達地面，避免生物受到輻射傷害。

范艾倫輻射帶的發現對於往後的太空探索非常重要，無論是載人的太空任務或是衛星佈署才能採取必要的防護措施以避免傷害。此一發現不但出自范艾倫的儀器在 1958 年的偵測；也可說是始自他於 1950 年發起的國際地理物理年；又或是更早，源自 1932 年那位在烈日下努力繪製地磁圖的少年。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

自1960年代進入太空時代至今，太空任務絕大多數都會避開范艾倫輻射帶（van Allen Belts）。范艾倫輻射帶是地球周圍兩個甜甜圈狀的區域，其中充滿了「殺手電子（killer electrons）」、電漿波（plasma wave）和電流等，對人類或太空船都有一定的危險性，逗留在此絕對沒好事。

不過，人們總要勇於嘗試，不能一直被老觀念給限制住。RBSP任務科學家David Sibeck表示：雖然科學家知到范艾倫帶的存在已數十年了，但這個危險區域還是持續發生意料之外的殺手電子風暴和其他現象。因此美國航太總署（NASA）在2012年8月30日發射了2艘輻射帶風暴探測器（Radiation Belt Storm Probes，RBSP），直接進入並待在輻射帶中進行探測，每艘RBSP都攜有眾多感應器，得以偵測並計算高能粒子數量，測量電漿波，偵測電磁輻射強度等。任務時間預定為2年，希望試圖瞭解輻射帶的危險主要來源，以及為何無法預測何時會發生危險。

范艾倫輻射帶發現於1958年，當時造成許多科學家困惑不已。絕大部分的人認為地球周圍應該是空無一物的；美國的第一架衛星Explorer 1卻證明並非如此。Explorer 1上設有蓋格計數器（Geiger）可偵測並計算高能質子和電子的數量。當Explorer 1環繞地球時，發現地球周圍居然有大量帶電粒子，使得蓋格計數器絕大部分時間都處在超標狀態。

1950年代那時，輻射帶對一般人的影響非常小；但時至今日，輻射帶對高科技社會卻至關重要。現有數百架從氣象衛星、GPS到電視轉播等不同用途的人造衛星，常常得掠過輻射帶，使它們處在輻射帶中高能粒子衝擊的狀態下，有可能讓衛星的太陽能板損壞，或讓敏感度高的電子零件短路。尤其是在太陽活動比較活躍時，當發生電磁暴，輻射帶範圍往往會隨之擴張，更多衛星淪陷險境，衝擊地球人們依靠科技產品的日常生活。

關於輻射帶最大的謎題之一就是它們對太陽風暴的瘋狂反應—幾乎任何事都有可能在此發生。當來自太陽風暴的電漿雲衝擊到輻射帶食，輻射帶的反應往往超乎科學家的預期。一個可能的後果就是輻射待充滿了高能粒子，例如：讓太空任務規劃者最畏懼的殺手電子。然而，同樣是太陽風暴襲擊之下，卻也可能讓輻射帶中的殺手電子驟減，使得輻射帶反而變成安全地帶。事情只有二選一嗎？並不是，還有第三種情況就是：同樣在太陽風暴襲擊之下，有時可能什麼事都沒發生！完全無法預測何時會發生哪種情形，讓科學家為之氣結。

更麻煩的是，科學家對於什麼是輻射帶中最重要的現象，意見不一；如果有100個科學家參與討論，每個問題都將會得出100種不同的答案。例如：殺手電子的能量為何這麼高？有的科學家認為是電漿波造成的，有的認為是太陽風衝擊所致，有的則認為是物質擴散（diffusion）的結果，還有其他一長串的理由呢。

不過，RBSP任務的主要目的就是要縮減各個問題可能性的範圍。在太陽風暴期間，RBSP會取得輻射帶中的電磁場狀況，計算高能粒子數量，偵測各種頻率的電漿波，至少要掀開范艾倫帶神秘之書的封皮，取得可以讓各種理論模型利用的資料。如此一來，未來才能預測何時進入輻射帶是安全的，何時能履行太空漫步，或何時適合操作靈敏的電子儀器等。

資料來源：The Radiation Belt Storm Probes. NASA [August 30, 2012]

轉載自 網路天文館

美國研究人員發現，採用氮氧化矽（SiON）閘極介電層的單壁式奈米碳管（single-walled carbon nanotube, SWCNT）電晶體可以抵抗劑量高達2 Mrad的伽瑪射線（gamma radiation），因此可能適合在惡劣的太空游離環境中使用。

一般的SWCNT薄膜電晶體和矽基場效電晶體都容易受到游離輻射（ionizing radiation）的影響，原因是元件中的二氧化矽閘極介電層會捕捉電洞。為克服這個問題，美國海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory）的Cory Cress等人研發出抗輻射（radiation-hardened）SWCNT薄膜電晶體，他們採用氮氧化矽做為閘極介電層，該材料一來捕獲的載子較少，二來傾向捕捉等量的電子與電洞，由於無淨電荷累積，因此比較不受輻射影響。

地球磁場將高能帶電粒子侷限在兩道環形輻射帶中，稱為范艾倫輻射帶（Van Allen belt）。太空船繞行地球時，會重複經過這些輻射帶並且暴露於高劑量的高能電子與質子游離輻射中。Cress表示，這些輻射的能譜與入射角度相當均勻，因此可以藉由鈷六十（Co-60）在實驗室中模擬此劑量。

伽瑪射線會迅速激發碳管的電子，然後快速鬆弛，因此不至損傷碳管。不過當受激電子的能量超過碳管的位移閥值（displacement threshold, 約為90-120 keV）時，碳原子便可能脫離晶格，造成碳管的晶格結構受損。然而實驗結果顯示，他們的元件在2 Mrad的輻射劑量下發生這些情形的機率極為微小。

大部分的多數載子電子元件暴露於輻射環境時，閘極介電層及絕緣層會捕捉電荷載子，造成元件效能下降。而他們研發的抗輻射SWCNT薄膜電晶體卻不受影響，原因是該元件是以擴散傳輸方式運作，電荷載子會因鄰近缺陷而成倍數散射，這些缺陷包含碳管晶格缺陷、碳管邊界及聲子等，都會影響電荷傳輸以及奈米碳管元件對輻射的反應。

未來SWCNT場效電晶體將具有短通道，載子在元件內將呈彈道式傳輸，因此碳管-金屬接觸間的性質在元件效能上將扮演著更重要的角色，值得更進一步的研究。該團隊未來的研究重點將放在操作於彈道傳輸區域的電晶體元件。詳見Electronics ｜doi:10.3390/electronics1010023。

資料來源：Lift off for nanotube transistors. NanoTechWeb [Sep 28, 2012]

譯者:莫偉呈（茂迪太陽能）
責任編輯:蔡雅芝

轉載自 奈米科學網