隱形斗篷能成真？氣泡水蘊藏著超穎材料！——專訪國立中央大學光電系欒丕綱教授

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／許經夌｜中原大學物理系副教授
  中原大學物理系副教授，更為人所知的身分是動漫畫評論團體「傻呼嚕同盟」的 ZERO 老師。自幼被《科學小飛俠》中的大反派物理博士辛格萊爵士所製造的機械鐵獸吸引，因而「誤入歧途」投身物理學界。擅長從熱門動漫中找出有趣的物理問題，曾因「超級英雄的物理學」線上開放課程獲得教學特優教師獎。

你能預測未來的科技嗎？

對於沒有哆啦 A 夢時光機的我們來說，預測未來可是件非常困難的事，但是漫畫家士郎正宗在《攻殼機動隊》這部傑作中做到了！

這部漫畫最早是從 1989 年開始連載的，至今已經超過了 28 個年頭，但是現今看起來不但不過時，其中種種關於未來科技的想像，更可說是在逐漸實現中。

讓士兵像變色龍一樣的「光學迷彩」

翻開漫畫，一開始最讓人印象深刻的，可能就是主角草薙素子在執行暗殺任務時所使用的「光學迷彩」（Optical Camouflage）。迷彩的概念大家應該都不陌生，在軍事上已被廣泛採用，士兵的迷彩服不僅平時看起來帥氣，在戰場上更可融入背景，不易被敵人發現，提高了存活率。

但是，傳統迷彩有著一個大弱點：它的圖案是固定的，一旦環境背景改變了，例如穿著綠色叢林迷彩服的士兵進入了灰濛濛的城鎮中時，就很容易暴露出來，被敵人逮個正著！

而所謂的光學迷彩，就是利用光學的原理，主動地隨著環境改變其表面的顏色與圖案，隨時保持在與背景融合的狀態中，所以又被稱為「主動式迷彩」（Active Camouflage）。這個概念推到極致，也會讓人聯想起《哈利波特》中的「隱形斗篷」（Invisible Cloak）。

要實現光學迷彩，其中的關鍵問題是在於：要如何將「原本應該被身體擋住的背景」重現在身體表面上？

只要能解決這個問題，身體看起來就會有如「透明人」，難以被人發現。東京大學的館暲教授實驗室是這方面研究的先驅，有趣的是，《攻殼機動隊》也正是他們實驗室必讀的參考文獻。他們的設計原理說穿了相當容易理解，就是利用有著高反射特性的材料來製作服裝，然後用攝影機拍攝身體後面的影像，再投影到身體的前方。

這個方法雖然簡單有效，但是目前還難以真正運用在軍事上，因為要讓一位士兵的身影「消失」，就至少得出動一台攝影機及一台投影機跟著他，這也太不實際了吧！

可是隨著科技發展，只要利用裝在身上的微型攝影機取代大型攝影機，並且以軟性顯示器技術來製作可以顯示影像的服裝，取代投影機的投影成像，光學迷彩的實現也許不是那麼遙遠。

也有科學家嘗試以另一個思路來實現光學迷彩：所謂的「透明」，就是光線可以直接穿透而不受阻礙，如果有某種材料能讓光線轉彎而「繞過」物體，那麼該物體看起來就會像是透明的了。

這種可以讓光線大幅度轉彎的材料，就是近年來備受矚目的「超穎材料」（Metamaterial，或譯為「超材料」），它是以奈米科技製作的人造材料，其中的週期性奈米結構，可以讓特定波段的電磁波產生顯著的偏折，而我們熟悉的可見光，其實也是一種電磁波，當然也可以藉由設計恰當的超穎材料加以偏折，現在杜克大學等研究機構已經製作出可使微波、紅外線轉彎的超穎材料，他們也期待未來能將這項技術應用到可見光波段上。

當然，以目前的發展情況看起來，這些光學迷彩的技術就算是成功了，一時之間大概還是難以緊緻化。我們可以開玩笑地說，要做出有如《攻殼機動隊》動漫畫或電影裡的光學迷彩「緊身衣」，以凸顯出穿著者玲瓏有致的好身材，大概會是下一個階段的發展難題。

「腦機介面」：可以意識或是靈魂可以被上傳嗎？

除了光學迷彩之外，《攻殼機動隊》世界中無所不在的「腦機介面」（Brain-Computer Interface）技術，更是預言了當今科技的努力方向。透過腦機介面，人腦可以直接向電腦或機器下達指令，也能直接接收電腦所傳送過來的資訊，甚至能夠透過電腦與網路相連，使自己的意識遨遊在廣大的網路資訊之海。

對於越來越依賴行動裝置及網路的現代人來說，腦機介面如果成真，那可是不得了的方便！

我們只要頭腦動念一想，隨時隨地都可以調閱電腦裡的資料，也能直接喚出電腦進行複雜的計算，更可以即時上網搜尋大量的資訊，與成千上萬的網民交流。這麼一來，傳統教育中的「記憶」與「背誦」就不再重要，人腦的價值可以更發揮在「思考」與「創意」的方向上。

當然，《攻殼機動隊》也預言了這樣「方便」的世界，可能會帶來怎麼樣的麻煩。個人的隱私權會大受影響不說，當電腦病毒或駭客入侵，出問題的可不只是電腦，連人的腦袋都會跟著遭殃，輕則記憶遭到竄改，重則整個大腦神經迴路跟著電腦一起被燒掉！

以腦機介面目前的發展趨勢來看，要達到《攻殼機動隊》所呈現的世界，還有一大段路要走。非侵入式的腦機介面，像是在頭部接上電極所讀取的腦電圖（Electroencephalography, EEG），雖然在醫療上已被廣泛應用，甚至有腦波控制的玩具產品面市，但是其訊號讀取及解析方面仍有許多困難。而侵入式的腦機介面，例如以人工手術的方式植入電極直接與腦部神經相連，或像《攻殼機動隊》漫畫中所想像的，利用微機械（Micromachine, MM）來執行相關的腦機連接手術，除了技術上的難題要克服之外，人類對於「異物」侵入身體的先天性恐懼，更是心理層面上的大障礙。

但還是有許多科學家十分樂觀，他們認為，目前腦機介面發展的最主要應用，就是連接人工裝置（也就是所謂的「義體」或「假體」）去取代原有功能已經喪失的神經或器官，例如使殘障人士藉由仿生義肢、電子耳、電子眼等裝置去重獲運動或感知的能力，長遠來看，這也會是人類對抗老化衰弱的有效手段，企冀永生的人類，未來不但不會排斥這樣的技術，甚至像《攻殼機動隊》中全身「義體化」的生化人（Cyborg）的出現也將是大勢所趨。

就算是全身義體化了，腦細胞也總有一天會衰老，那麼，能不能逐漸地把人腦的功能轉移到電子腦中？甚至把人格與意識也一併轉移過去？沿著腦機融合的話題往前走，就一定要問到人類的終極問題：到底什麼是「生命」？什麼是「靈魂」？

現在的科學對這些問題還沒有解答，甚至對人類意識的運作機制都還搞不大清楚。但是科學界主流的看法是：我們的「意識」（Consciousness），或者你要套用《攻殼機動隊》中的慣用詞，叫它「靈魂」（Ghost）也可以，和我們的腦部神經網路結構密不可分。甚至有學者主張，我們人類思考的根源，推到大腦神經元連結上的電傳導訊號時，是和量子力學中所呈現的隨機現象息息相關的。

如果我們的意識真的是基於量子現象，那麼根據量子力學中的不可複製定理（No-Cloning theorem），我們每一刻的意識與思考都是獨一無二的，不可能複製到別的個體或是轉移到電腦上。就這個觀點來看，《攻殼機動隊》漫畫中所描繪的「靈魂翻印」技術會伴隨著「資訊劣化」現象，也不算是沒有道理的想像呢。

《攻殼機動隊》中充滿了對未來科技的前瞻想像，讓人不得不佩服士郎正宗研讀相關資料的認真態度，以及他天馬行空的想像力。我們沒有時光機，但是藉由《攻殼機動隊》這扇「窗戶」，我們可以窺見未來世界各式各樣可能實現的科技風貌，還真是充滿樂趣的享受啊！

文章轉載自OKAPI，原文為「不是幻想，是真的！《攻殼機動隊》中的未來科技大解析」。文章圖片由臉譜出版社© Shirow Masamune / Kodansha Ltd.提供，更多內容請參考《攻殼機動隊 Complete Box》。

美國研究人員受到光學隱形斗篷（invisible cloak）的啟發，提出一種製造「電子斗篷」（electron cloak）的方法。此裝置是由大小約為電子波長的奈米結構所組成，對於電子形同隱形。此新研究可望用來製作新穎電子元件，且可能有助於發展更佳的熱電材料，以增進能量的捕捉及轉換。

科學家已經成功利用超穎材料（metamaterial）製作出能隱匿物體不受電磁波的偵測的「隱形斗篷」。超穎材料是具有特殊光學性質如負折射率的人造結構。這些結構的排列方式使得入射光波沿著斗蓬周圍行進，並在另一端依原路徑射出，彷彿斗蓬並不存在。相同的原則也適用於聲波，使得斗篷對於聲音同樣具有「隱形」效果。

最近，根據麻省理工學院（MIT） Gang Chen研究團隊的理論計算，相同原理甚至能應用於電子上。他們提出製作電子斗蓬的實際設計方式，作法是將的大小與電子波長相當（此研究中約為10 nm）的殼核奈米微粒（core-shell nanoparticle）結構內嵌於半導體中，而且不會干擾電子的流動。

一般而言，電子會以物質波的型態行進一段距離，直到散射破壞電子的波相位。在這段所謂同調傳輸長度（coherent transport length）的距離內，粒子會展現如振幅疊加（即干涉）之類的波動性。團隊成員Bolin Liao表示，在他們的電子斗篷設計中，這些殼核奈米微粒提供了多重介面來反射電子波。透過仔細調整介面，這些反射波彼此間會產生破壞性干涉，以致於幾乎沒有反射發生。因此，擁有「正確能量」的電子波便能穿過這些奈米微粒結構而不被反射，彷彿路徑上沒有任何障礙物存在。

電子斗篷可以應用在需高電子遷移率的場合，例如半導體電子元件。Chen表示，他們亦能藉此設計新穎電子開關，使其具有對電子「可見」（visible）及「不可見」（invisible）的狀態。此外，電子的散射程度與結構的能量分佈有著相當敏銳的關係，此特性對於需強烈能量相關散射機制的應用有所助益，譬如適合應用於熱電元件中。

該團隊最近正著手打造此殼核奈米微粒電子斗篷，以驗證其理論預測，同時試圖將此概念延伸至低維度結構。詳見Phys. Rev. Lett.｜doi: 10.1103/PhysRevLett.109.126806。

資料來源：Nanostructure could help make electron cloak. NanoTechWeb [Oct 1, 2012]

譯者:Yann-Bor Chen （Texas A&M University-Commerce）
責任編輯:蔡雅芝

轉載自 奈米科學網