[ASWEB]星系家庭寫真照

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

古老的星光，啟程於大霹靂後約30億年，以每年9.6兆公里的速度，歷經107億年而抵達地球，為今天的我們帶來驚喜，因為呈現在我們眼前的是：已知最早的螺旋星系。不過，107億年前的螺旋星系究竟有什麼特別呢？

UCLA天文教授Alice Shapley最近剛在Nature期刊上發表這項觀測研究結果，她向媒體表示：「如果我們回溯到宇宙早期，所看到的星系通常是怪模怪樣：是塊狀的、不規則的，而不會是對稱的，大部分古老星系看起來都像一列火車被撞後的殘骸。因此我們對這張圖像的第一印象是，這個星系怎麼會這麼特別，特別的美麗？」

在今天的宇宙裡，星系分為幾種型態。譬如像我們的銀河系是屬於螺旋狀的星系，星系裡有恆星和氣體盤，新興恆星在盤面上形成，恆星運動的方式是旋轉。除了螺旋星系以外，星系還有其它類型，譬如：橢圓星系，從外表看起來，它的形狀正好比一顆巨大的球，球體裡頭大多是較老、顏色偏紅的恆星，恆星的運動方向是隨機的。其他還有很多體型較小的不規則形星系，裡面的恆星只是因重力被「綁」在一起，但沒有任何可見得到的結構特徵。

早期宇宙中，星系結構在組成比例上與今天的宇宙大大不同，主要充斥在其中的都是一些不規則型星系。

根據UCLA的新聞發佈稿，Shapley教授所領軍的這組研究團隊是在透過哈柏太空望遠鏡去觀測早期宇宙中300個很遙遠的星系以了解它們有何特性的過程中，偶然發現了BX442。

回憶和這次新聞主角-「BX442星系」的初相遇，科學家們表示，雖然它在所有300個受觀測星系中已經是質量最大者，不過，最初他們並未想要給它取個什麼響亮的名字，只簡單給了它一個編號：BX442，而初次接觸所留下的第一印象就是，視覺錯覺；他們想，或許這只是看到兩個星系互相疊加所產生的影像。

然而，教人跌破眼鏡的是，事實上這個星系卻果然存在！另一位來自加拿大Toronto大學的論文共同作者David Law表示，以現階段的智慧，我們會認為，具有如此「大設計」（grand design）的螺旋星系，在早期宇宙中，根本就不會存在。（所謂” grand design”，指的就是在形狀上具有明顯的「旋臂」特徵者）

既然取得了一個如此獨一無二的BX442影像，為了能對它有更進一步認識，於是研究人員前往位於夏威夷毛納基山上的凱克望遠鏡去尋求協助，他們使用OSIRIS攝譜儀，一共研究了3，600個資料源，包括位在BX442星系的裡面以及其四周附近的都有，所獲得的這份光譜資料對於他們終於能確認這座星系「確實具有旋臂特徵」帶來極寶貴的幫助。也使他們能確認這不是兩個星系「正好在排列上出現巧合，湊巧疊加在一起」而已。

當研究團隊確認這個圖像並非來自視覺錯覺，而是這些旋臂特徵真的屬於「BX442星系」時，團隊成員們的反應簡直是興奮到爆。事實上他們還看到似乎有證據也顯示出這個星系中央有一顆巨大的黑洞，而且黑洞或許也和BX442星系的演化也有所相關。

但是，為什麼這顆星系看起來會這麼像一顆「現代版」的星系呢，又為什麼今日結構型態最為普遍的星系在古老宇宙中是那麼的罕見呢？

這就帶我們要回到「旋臂特徵形成原因」上去探究一番了。研究員認為，這個古老的螺旋星系形成的起始點可能指向了那顆位置在BX442附近的同伴矮星系（companion dwarf galaxy），還有兩者之間所發生的重力交互作用。矮星系的光譜資料在OSIRIS攝譜儀所提供的圖像上也看得到，就是位置在左上角部分的那塊斑點，後續方面，還有Arizona大學的研究人員Charlotte Christensen以數值模擬的方式加以確認。最後，小星系的命運將會是什麼呢？根據Shapely教授的想法，它可能是會被合併，成為BX442的一部分。

雖然圖像上看起來好像只是一顆鄰近星系而已，但是別忘了在早期宇宙中星系合併的頻率比現今高得多，當時來自星際介質的氣體如雨水般源源不絕澆灌，這些氣體餵養著恆星，也使得恆星形成速度比現在快得多，就連黑洞的生成也是以加快動作的速度發生，今天的宇宙如果和早期宇宙相比，想必將因「無聊透頂」而大為失色吧。

關於這個觀測項目的下一步計畫是什麼，Shapley表示，該團隊正規劃要去取得這顆星系在其他波段的各種圖像，他們想要為BX442中恆星和氣體的組合狀況繪圖。

早期星系熱鬧無比，變動劇烈程度遠大於我們今日所見的螺旋星系，兩者之間明顯不同，在Shapley主持的這支天文團隊的心目中，「BX442所扮演的正是其中的一個關鍵鏈結。事實上，且不論旋臂結構在宇宙的哪一段時期形成，BX442都能大幅突顯出，星系合併的交互作用怎樣影響旋臂結構的形成。」

因此，研究BX442能幫助天文學家了解螺旋形狀的這種星系是如何形成的。我們的家園，銀河系-也是一顆螺旋星系。（Lauren 譯）

圖說：藝術家繪製的BX442星系及其「伴矮星系」（“companion dwarf galaxy”， 位置在圖的正上方略為偏左） 圖片來源： Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics/Joe Bergeron

資料來源：中研院天文網[2012.08.03]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

上圖是歐南天文台（ESO）超大望遠鏡（Very Large Telescope）拍攝的NGC 1187星系，是到目前為止天文學家曾拍過這個星系的影像中最精細的。這個離地球約6000萬光年遠的螺旋星系，位在南天的波江座方向。過去30年間曾2度在此星系中發現超新星爆炸事件，其中最近一次發生於2007年。

威廉‧赫歇爾（William Herschel）於1784年首度發現NGC 1187，鄰近波江座τ3星，總亮度約10.6等，以口徑15公分以上的業餘望遠鏡便可見到。它是個幾乎是正面面對地球的螺旋星系，因此可清楚看到它的螺旋結構。影像中可清楚看到NGC 1187約有6條旋臂，每一條旋臂都含有大量氣體與塵埃。旋臂呈現藍色特徵，顯示旋臂中已有大量年輕恆星自星際雲氣中誕生。

將目光移到星系中心區域，可見核球（bulge）部分呈現黃色色調。這部分主要是由老恆星、氣體和塵埃所組成。不過NGC 1187的核球並不是接近圓球形，而是橢長形，顯示NGC 1187中心是個不甚明顯的棒狀結構（bar），旋臂上的氣體可能是經由這樣的棒狀結構流入星系中心區，使星系中心區的恆星形成比例得以增加。

沿著NGC 1187外圍區域，可見到許多更暗、更遠的星系，其中有些遙遠星系甚至可透過NGC 1187盤面而顯現出來。絕大部分遙遠星系帶著紅色色調，和距離較近、帶著藍色色調的星團對比鮮明。

NGC 1187看來雖寧靜且永恆不變，但其實近30年來，這個星系中已經發生過2次超新星爆炸，第一次是在1982年，第二次則在2007年。超新星爆發是大質量恆星演化到末期或是雙星系統中的白矮星因質量累積超過極限而引起的劇烈爆炸事件。超新星爆發是宇宙最劇烈的爆發事件之一，因此會在短時間之內，成為該宿主星系中最明亮的天體，有時甚至超過整個星系的總亮度，數週或數個月後才逐漸消退到不可見的地步。它在這個非常明亮的短時間內所發出的能量，超過太陽約100億年生命期中所發出的總能量。

1982年10月，歐南天文台La Silla觀測站的天文學家在NGC 1187星系中發現超新星SN 1982R；2007，南非業餘天文學家Berto Monard在這個星系發現第2顆超新星SN 2007Y。有一組天文研究團隊隨後利用各種不同的望遠鏡對SN 2007Y做詳細的追蹤觀測，時間長達1年。這幅ESO的NGC 1187影像就是他們的觀測成果之一，讓天文學家們驚喜的是，即使過了超新星爆發最亮期許久之後，仍能在影像中見到這顆超新星的亮光，SN 2007Y就位在這幅影像中的星系下緣附近。

資料來源：A Blue Whirlpool in The River[2012.08.01]

轉載自台北天文館之網路天文館網站