賽道上高溫與摩擦的平衡！賽車最重要的配件「剎車」——《黏黏滑滑》

不少影視作品，善用水滴暗喻流淚。離散的場面哀戚，暗夜裡風雨飄搖。雨絲打在窗上，衝擊著觀眾敏感的心。主觀鏡頭宛如主角的目光，透過玻璃望向遠方。可是任誰都無法忽略，前景那一顆在表面移動的雨滴，默默地、緩緩地滑到一半，止住了。雨過天晴，窗外的玫瑰花瓣托著晨露，晶瑩剔透，水珠怎麼飽滿，也沒溜下來。如此揪心的情緒渲染，倘若換作荷葉或鐵氟龍鍋具，效果肯定蕩然無存。稍稍傾斜，便把持不住一滴，三兩下流得乾乾淨淨，不著痕跡。於是，被騙得一把鼻涕一把淚的觀眾，拭乾雙眼，體會刻骨銘心：摩擦力大的表面，即使垂直，水滴也可能攀附；摩擦力小，則些微的斜度，就會流失水滴。^[1]

接觸線摩擦力

想留住水滴，就如同要挽回即將離去的戀人，免不了得談客觀條件。芬蘭阿爾託大學（Aalto University）和于韋斯屈萊大學（University of Jyväskylä）合作的團隊，在《自然化學》（Nature Chemistry）期刊上，介紹新創塗料時，列出下面 4 個影響水滴流動的要素：^[1]

1. 接觸線摩擦力（contact line friction）：受到水滴的大小、表面張力、接觸面的形狀，以及水滴後退角（receding contact angle）與前進角（advancing contact angle）（如下圖）的差距所影響。接觸線摩擦力是這裡羅列的項目中，唯一會導致靜摩擦力（static friction），^[1]阻礙移動發生的力量。^[2]接下來的幾個，都是在水滴已經開始移動後，才會出現。^[1]
2. 黏滯耗散（viscous dissipation）：流動的過程中，其黏性將部份動能，不可逆地轉換成熱能。^[3]
3. 氣阻（air resistance）：通過氣體的時候，氣流對其表面產生的阻力。^[4]
4. 靜電力（electrostatic forces）：某些物體相互摩擦後會帶電，因而有推或拉的力量。^[5]當水滴在疏水性的表面上移動，引發電荷分離（charge separation），水滴通常帶正電，該表面則帶負電。靜電力對斜面上水滴下滑速度的影響，甚至可以超過重力。^[6]

水滴對固體表面的依附，使它處處惹人嫌。比方說，在汽車的擋風玻璃，以及先進駕駛輔助系統的鏡頭上，會妨礙視線，干擾行車安全。^[7]常言道：「所有感情問題，一律建議分手。」研究團隊想利刀斬孽緣，則所開發的塗料，要能有效減少物體表面的接觸線摩擦力，使水滴在上頭「站不住腳」。過往的研究認為，關鍵是降低形貌或化學的異質性。^[1]

開發新塗料

研究團隊調節時間、溫度和水份等變因，讓疏水性的辛基三氯矽烷（octyltrichlorosilane），在親水性的二氧化矽（SiO₂）板上，自然「生長」成自組裝單層膜（self-assembled monolayer）。^[1]無論這層膜在矽板上的密度低，也就是表面大多都是二氧化矽；或者密度高，即辛基三氯矽烷佔多數，都可以視為異質性低的情形。反之，若表面密度中等，則異質性高。理論上，異質性低對削弱接觸線摩擦力有幫助，但是研究團隊認為塗料密度低的時候，表面親水性過高，效果可能不彰。^{[1, 8]}

然而實驗結果有些出乎意料：當這層膜在矽板上的表面密度較低，水竟然自由地於塗料的分子間流動，很容易滴落；而表面密度高時，水則停留在塗料上面，也可以輕易滑下來。唯有介於兩者之間，水才會緊巴著矽板。^{[1, 8]}

防潑水塗料的用途

芬蘭研究團隊的成品，應該是目前全世界最滑溜的塗料，防潑水的能力超級好。^[8]麻煩的是厚度太薄，耐用性有待提升。將來如果成功改善，有望廣泛運用於除冰、抗霧、暖氣管線等諸多方面。^{[1, 8]}

1. Lepikko S, Jaques YM, Junaid M, et al. (2023) ‘Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale’. Nature Chemistry.
2. Müser MH. (2008) ‘How static is static friction?’. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(36):13187-8.
3. Malik MY, Hussain A, Salahuddin T, et al. (2016) ‘Effects of viscous dissipation on MHD boundary layer flow of Sisko fluid over a stretching cylinder’. AIP Advances, 6, 035009.
4. Oxford University Press. ‘Air Resistance’. Oxford Reference. (Accessed on 27 OCT 2023)
5. ‘Electrostatics: A non-contact force’. (31 DEC 2018) Department of Education, Victoria State Government, Australia.
6. Díaz D, Li X, Bista P, et al. (2023) ‘Self-generated electrostatic forces of drops rebounding from hydrophobic surfaces’. Physics of Fluids, 35(1):017111.
7. Hodgson G, Passmore M, Skarysz M, et al. (2021) ‘Contact angle measurements for automotive exterior water management’. Experiments in Fluids, 62, 119.
8. ‘Researchers create the most water-repellent surface ever’. (23 OCT 2023) Aalto University, Finland.

潮濕環境中就算是壁虎也會腳滑？

這引我走上另一條路徑。有鑑於凡得瓦力靠得是兩個平面之間緊密接觸，如果是像史塔克教授提到的大溪地雨林那樣潮溼的環境，會發生什麼狀況呢？有水是否會改變壁虎的抓力？或者，如我假裝專業問她的問題，潮溼的壁虎可以黏在物體上嗎？

史塔克是討論這個問題的絕佳人選。為了更透徹理解真實世界的環境如何運作，她與研究夥伴一起花了好幾年時間探究表層水對壁虎黏附力的影響。她一開始先測量大壁虎在三種玻璃樣本上的黏附力—乾燥、用水滴稍微沾濕，以及完全浸泡在水中。

壁虎被放置在各個表面上，再用小型電動吊帶輕輕往後拖（沒錯，你沒看錯），直到牠們的四足全都移動。這能讓研究人員測量克服壁虎黏性所需的力量—稱為最大剪切黏附力（shearadhesion force）。

他們發現壁虎在潮溼的玻璃表面上，黏附力會明顯下降。

「這讓我們很吃驚，尤其是有那麼多種壁虎生活在高濕度、高降雨量的環境中，」史塔克說。

「我們測量了四足完全泡在水中時的最低黏附力，這時候水絕對會干擾以凡得瓦力為基礎的黏附力所需的密切接觸。」但她承認，這個狀況在野外大概沒那麼普遍。

「實際而言，相較於走進暴雨之中並踩入深水坑，壁虎更有可能接觸到僅稍微沾濕的表面。」即使如此，史塔克在稍微沾濕的表面測得的力量，還是比足趾乾燥走過乾燥玻璃的壁虎還低（或比較不黏）。

大多數情況下，牠們依然有剛剛好的抓力可以承受自己的體重，但是當環境變得潮溼，壁虎的黏附力就會開始減弱。其中發生了什麼事？

壁虎腳趾的「疏水」特性

回到第一章，我們得知液體黏附於表面的能力關乎表面能和可濕性。壁虎趾墊極度疏水。它們會有效地排斥水，所以當蜥蜴把足部伸入水坑，會在足趾周圍形成微小的氣囊；水被推開，保持足趾乾燥。但是這項除水的能力有其限制，取決於壁虎最後踩上的表面。

在史塔克的研究中，她著重在玻璃表面，這是因為玻璃具有親水性，會吸水。當壁虎的足部接觸到潮溼的玻璃，牠無法完全把水推開，如史塔克的解釋，這會中斷提供壁虎大部分抓力的凡得瓦力。

此外，壁虎的足部泡在水中過了 30 分鐘後，牠們的足趾似乎會暫時失去傑出的防潑水能力。水會湧入皮瓣，更進一步減弱牠們的抓力，使得玻璃似乎更滑。

但是如果表面本身就具疏水性，那一切對壁虎來說就簡單多了。在那樣的情況下，其足部和表面都會排斥水，因此兩者接觸時也會很乾燥。那對壁虎而言是理想的狀況—沒有水，其剛毛和匙突都能用來黏附。

這也反映出許多物種在野外會遇到的環境：從有蠟的樹葉到樹幹，疏水性表面在自然界中不足為奇。重要的是，壁虎奔跑的頻率高於行走，史塔克之後證實，這有助於牠們更有效率地甩掉足趾上的水。

鐵弗龍攀爬實驗

體悟到可濕性是壁虎抓力的關鍵因子，促使許多研究團體開始探究壁虎碰到工程性疏水表面會發生什麼事—最有名的研究是壁虎與鐵弗龍的比賽，首次討論在 1960 年代晚期開始。

德國科學家烏維．希勒（Uwe Hiller）發表的實驗指出，疏水性、表面能偏低的材料（如鐵弗龍），對壁虎而言太滑了，爬不上去。即使他用帶電粒子撞擊鐵弗龍以增加表面能，他的實驗壁虎依然難以爬得更遠。針對單一剛毛的實驗也得到一樣的結果。

所以我們也許能理解，史塔克沒有很想在 2013 年再次測試該材料的原因。「不過我的本科學生非常好奇會發生什麼狀況，所以我最後還是同意了。」他們發現的結果讓所有人都大吃一驚。根據他們的結果，活壁虎可以爬上鐵弗龍，但只有在有水的情況下才辦得到。

「就是那些罕見的發現既讓我們困惑，但也證實我們在野外所見的狀況，」史塔克說。

「我們知道壁虎可以毫不費力地爬上最滑的樹木和植物，即使在大洪水過後也一樣，所以水顯然對牠們來說不是大問題。但是我們的模型就是沒預測到在鐵弗龍的結果。」

另一個結果就沒那麼令人意外—在中度可濕的材料上，水似乎沒造成什麼差異。壁虎在潮溼和乾燥表面上都能緊緊抓附。

但是超級疏水的鐵弗龍則是異數—與我們對以凡得瓦力為基礎的黏附力的認知相反，水似乎增進了壁虎的黏附表現。

研究人員表示，這個結果並不能類推到更多的材料上，而是只特定於鐵弗龍。在那篇論文中，他們歸咎於鐵弗龍的粗糙度。乾燥時，這個粗糙度可以造成空氣隙（air gap），減少表面與壁虎匙突之間的接觸區域。潮溼時，粗糙度好像有點被消除，讓足趾可以充分地緊密接觸，獲得凡得瓦吸力。

老實說，這個解釋無法說服我，而史塔克在電話中似乎也同意我的看法。我們單純無法解釋我們的結果，或為何鐵弗龍與其他材料如此不同。在之後的實驗中，我們擾亂它的粗糙度和氟化作用（一種表面加工），以檢視有無任何變化。我們發現後者對黏附力有比較大的影響。我們懷疑靜電可能也有關係，但是還無法肯定。

壁虎黏附系統的未解謎題

壁虎黏附力的主要機制來自凡得瓦力，這似乎毫無疑問，但是我與研究人員對談，加上讀了多於我想承認的期刊論文後，我愈來愈認為不只如此。儘管我們不斷又相當密集地進行研究，我們可能還未揭露壁虎黏附系統的所有秘密。

例如，我們依然還沒全面釐清潮溼環境下的角蛋白剛毛發生什麼事。人體的毛髮極容易受濕度影響，主要是因為水有助於α- 角蛋白的鄰近股之間形成暫時的氫鍵。雖然它跟壁虎的β- 角蛋白之間有一些化學差異，但水似乎也有可能也會對其機械性特質產生作用。

歐騰毫無疑問相信這件事。他在 2011 年發表的一篇文章中，發現濕度提升得愈高，剛毛會變得愈軟，但是我們不知道在「整隻動物」規模時會怎麼運作。還有許多細胞生物學家認為角蛋白毛髮有額外的功能—蛋白質表面自然產生的正電荷似乎會進一步增強凡得瓦效應。最後， 2011 年，在一間黑暗的研究實驗室中，發現了一些神祕的壁虎腳印。

「我們發表那篇論文時並不太受歡迎」當我問起這篇論文時，史塔克笑著說。「大家都說壁虎使用的是無殘膠、乾淨的黏附系統，但是如果是這樣的話，這些腳印是哪裡來的？牠們留下了一些東西，我們從未在其他地方看到相關報告。」

史塔克跟她的研究夥伴發現殘留物含有脂質—這是通常在像蠟和油這種「滑溜」物質會發現的化合物。她也指出，這些脂質集中並環繞著剛毛，讓她認為這與角蛋白有關。但是她承認，他們還無法解釋出現這些脂質的原因，或它們究竟是哪裡來的。

「我們就是沒有答案，雖然我們懷疑那跟快速切換黏性和快速移動有關。可能就是這些脂質有助於剛毛和匙突潔淨又無塵。或是脂質可能與毛髮的結構有關聯。不管是哪個原因，都讓我們知道目前以β- 角蛋白均質柱狀物為基礎的模式並不完整。」

這些尚待解答的問題，只會讓壁虎的黏附系統更加迷人和值得研究。其性能也使其成為工程和材料科學界源源不斷的靈感來源。

——本文摘自《黏黏滑滑》，2022 年 11 月，晨星出版，未經同意請勿轉載

這幾年來我拿過幾本護照和簽證，所以我相當熟悉指紋掃描這件事。但是這次的流程感覺有點不一樣。首先，我坐在位於威靈頓的紐西蘭警察總局一間無窗的房間裡。掃描影像也是用一個跟我的智慧型手機差不多大小的儀器掃描。但是我卻著迷似地，用以前不曾有過的方式盯著複雜的紋路看。

指紋負責人吉蘭．哈利爾（Gilane Khalil）帶我走了一趟我的指紋之旅：

指紋的分類與組成

深色線就是凸起區，我們稱作乳突紋線（papillary ridge），其紋路可大略分為三類：箕形紋（loop）、斗形紋（whorl），及弧形紋（arch）。箕形紋的紋線會出現，繞圈之後再彎折回來，回到同一側。弧形紋是從一端往上彎曲或隆起，然後流向另一端—只有大約5％的人口有這種指紋。斗形紋是環形紋路。大部分人會有箕形紋混合斗形紋，你手上的指紋也是如此。

她指著取自我右手中指的指紋說，「不過你的指紋的確很不尋常。你看得出來這個特徵是結合了箕形紋和和斗形紋嗎？真是很好的複合紋路範例。」

雖然指紋獲得最多關注，但我們整個手掌其實都被這個有乳突紋線的皮膚包覆，上方覆加一層網絡，有特有的深褶痕和摺皺。這些複雜性全都反映出肉眼可見表面之下的暗潮洶湧。我們皮膚上的紋線圖型是由不同種類的蛋白質角蛋白構成，最強、最耐久的種類就位於凸起的紋線，比較柔韌的則位於兩者之間的凹部。這樣的組合讓紋線可以承受大量擠壓，而凹部則可讓它們有空間屈曲和伸展。

這些紋路的根部很深，延伸到皮膚最外層（表皮）之下，並進入下方的真皮。這層結締組織有類似的紋線形式—大衛．林登（DavidLinden）稱之為「朝內的指紋」—其提供表皮各種支持，包括血管。

皮膚的汗腺和管道也會把這幾層固定在一起，灌注沿指紋線頂端分布的大量汗孔。位於手掌無毛皮膚下的腺體是人體當中最大也最緻密者，每平方公分有 1000 ∼ 1200 個。所以下次你在不合時宜的時刻冒手汗時，你就知道要怪誰了。

人類並不是手腳有乳突紋線皮膚的唯一靈長目。匹茲堡動物園（Pittsburgh Zoo）和聯邦調查局（FBI）在 2011 年進行一項研究，在例行性獸醫檢查期間採集各種不同靈長目的指紋。毫不意外，已知與我們關係密切的物種，如紅毛猩猩、金剛猩猩和黑猩猩，都出現類似的箕形紋、斗形紋和弧形紋，雖然與我們的分布有點不同。

所有紅毛猩猩的指紋中，幾乎一半都有人類罕見的弧形紋。黑猩猩的斗形紋比我們多，而金剛猩猩的箕形紋比例與一般人類差不多。不過目前已知另外至少還有一種動物也有指紋，儘管其演化路徑與靈長目非常不同：無尾熊（學名是Phascolarctos cinereus）。

這種毛茸茸的有袋動物（也是澳洲的代表動物）指頭上的紋線，不管大小、形狀和排列，都跟人類的紋線相似，牠們前掌每根指頭都有弧形紋，有些後掌也有。斗形紋和箕形紋往往只出現在特定指頭。差異如此大的物種之間有這些共同特定特徵的原因，普遍認為是因為紋線可以增進牠們的抓握能力。對大半時間都待在森林樹冠的物種而言，這是很有效的技能⋯⋯或我們之後將會看到，這種技能更常出現在都市叢林中。

指紋認證系統的起源

指紋長久以來都被當做人類在物體上留下痕跡的方式，從簽合約和泥板文書（clay tablet），到古代墓碑的牆面。但是用來辨識個體—因其明顯的獨特性—是比較近代才開始，且有一段非常成敗參半的過去。

與指紋早期發展關係最密切的有三個人，分別是亨利．佛德斯（HenryFaulds）醫師、優生學家法蘭西斯．高爾頓（Francis Galton），以及殖民地警察愛德華．亨利（Edward Henry）。佛德斯透過實驗證實指紋會永久存在—即使遭遇嚴重的表皮損傷也可以恢復原本的紋路。除了尺寸變大，指紋的紋路從出生到成年都一樣。

他也設計出第一個正式的紋路分類系統。高爾頓在1892 年的一本著作就是以那些主張為基礎，他從世界各地蒐集了指紋樣本之後，宣稱掌足凸紋（friction ridges）是「比任何身體特徵都還更加肯定的身分判定標準」。這開啟了一扇門，世人開始把指紋當做一種鑑別工具。

高爾頓特別強調此技術對英國殖民地的潛在重要性，「這些地方的土著很難區別」。沒錯，他真的這樣寫。駐紮在印度，擔任孟加拉警察分局督察長的愛德華．亨利非常推崇高爾頓的作品，且確信他可以把分類系統再調整得更實用一點。在他的努力之下，亨利系統（HenrySystem）誕生了， 1901 年獲蘇格蘭場（Scotland Yard）採用，自此之後衍生的不同版本也受到執法機關和其他警政機構使用。

鑑識科學的指紋比對

最近幾十年來， 有些有威望的科學組織開始批評指紋在鑑識科學的地位—尤其是做為刑事案件的證據。癥結點環繞在個化（individualisation）的概念；即鑑識痕跡〔例如犯罪現場找到的潛伏指紋（latent print）〕可以無歧義地連結到特定的某個人，「而因此排除其他所有人。」

2009 年，美國國家研究委員會（National Research Council）發表一份針對美國鑑識科學狀態的大型研究。他們在這份研究中提到，指紋鑑定缺乏提出這種主張所需的科學依據。之後的報告也同意，指出諸如錯誤率、專家之間缺乏可重複性和重現性，以及認知偏誤等風險。

如果你曾經看過那些時髦的「犯罪現場調查」（CSI）電視劇，你可能會想，這跟認知偏誤有什麼關係。指紋比對想必都是由電腦完成的吧？這個嘛，雖然電腦化的資料庫的確善盡職責，但拿指紋比對資料庫裡的指紋資料這個過程，其實是由人工進行，很意外吧。

在紐西蘭這裡，軟體只會當做初步過濾的工具，用來觀察指紋的整體模式，以及畫面中不同點之間的關係。那樣的電腦分析會吐出一長串可能的候選清單，接著就人工檢查每一位候選人的指紋細節—所謂的人工即是受過訓練的指紋專家。指紋專家要留意很多地方。負責管理紐西蘭國家指紋服務（National Finger Print Service）的塔妮亞．凡．皮爾（Tanja Van Peer）告訴我：

光是一枚完美的潛伏指紋，可能資訊量就很龐大。當我們調出指紋畫面，我們要看的不只是紋線的流動和形狀；汗孔、皮膚褶皺及疤痕也都獨一無二。我們縮小螢幕上的搜尋範圍後，就會調出原始的指紋組，並重複進行分析。我們每一次鑑別都會再跟另外兩位專家進行半盲確認，上法庭時，會再重複進行所有過程。我們的驗證過程非常可靠。

但是即使經過以上所有嚴謹地檢查和斟酌程序，指紋分析還是一直被視為意見證據（opinion evidence）。沒錯，指紋分析是基於最高級專家的判斷，指紋連結到錯誤人選的可能性非常低，但並不是零。

根據其性質，意見證據無法提供絕對的確定性。 2017 年，美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science, AAAS）表示，「（檢查人員）應避免主張或暗示可能來源數量僅限於單一人選的說法。」類似「吻合」、「鑑定」、「個化」等用詞及其同義字，所暗示的含意都超出科學可支援的範圍。

不過，把人類這個因素完全排除於指紋分析之外，也不太可能讓過程更加準確。事實上，許多研究已顯示，說到比對指紋，訓練有素檢查人員的表現都明顯優於任何自動系統。在我參訪期間，凡．皮爾不斷強調，紐西蘭的專家接受了5 年紮實的訓練，精進他們的技能，但是她也坦承，即使是如此可靠的分析方法，也無法保證完全不會出錯。

愈來愈多組織也會採用類似的「盲性驗證」步驟，降低偏誤的風險。把過程調整得更科學一點，似乎也是全球趨勢。洛桑大學（University ofLausanne） 鑑識科學教授克里斯托夫．錢帕德（Christophe Champod）認為，有個方法可以辦得到，就是為指紋證據分配數學機率，這能使其更符合在法庭上呈現DNA 證據的方式。有幾個以此為目標的數學模型正在發展中，雖然目前還沒有任何模型可以廣泛採用。

指紋還是會繼續被當做一種法庭上的鑑識證據，但還是希望透過這些努力，可以增進其可靠性和客觀性，同時也正式確立其並非萬無一失—就跟所有鑑識技術一樣。唯一可以有自信地宣稱兩組指紋「完全吻合」的人，只有虛構的電視警探吧。

——本文摘自《黏黏滑滑》，2022 年 11 月，晨星出版，未經同意請勿轉載。