食蟲植物的藍光陷阱

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

在動畫《飛哥與小佛》（Phineas and Ferb）中超人氣角色——鴨嘴獸泰瑞／特務 P，可愛的外表加上寵物與特務的雙重身分，使牠成為家喻戶曉的大明星，鮮明的體色「泰瑞色」也蔚為風潮。

但你知道嗎？泰瑞的顏色其實是真的！

動物界神奇寶貝——鴨嘴獸的二三事

鴨嘴獸是棲息在澳洲東部的半水生單孔目動物，而單孔目代表著具有長期獨立演化的古老哺乳動物，雖是哺乳類但卻會產卵；現存的單孔目動物僅存鴨嘴獸及針鼴，均為澳洲特有種。

鴨嘴獸通常為夜間活動，並依靠一套獨特的表徵在黃昏、夜間和渾濁的水中，活動於弱光水生環境，牠們可以閉著眼睛游泳獵捕，使用機械感受及電感受來定位、感知水下獵物。鴨嘴獸的皮毛除了喙、腳和尾巴外，覆蓋身體均勻且緻密，可在水中起到絕緣的作用。

雄性鴨嘴獸的後肢長了尖刺並分泌有毒物質，在打架中會善用毒刺攻擊，藉此爭奪雌性，是目前為數不多的有毒哺乳類之一。

• 延伸閱讀：誰都別想惹鴨嘴獸：天上天下唯一有毒刺的哺乳動物──《毒特物種》

這些特徵已經讓鴨嘴獸夠特別了，現在又多了一樣更令人驚豔的能力：生物螢光。

鴨嘴獸使出「生物螢光」！

生物螢光（ Biofluorescence）是生物透過體內的螢光蛋白來吸收特定波長的光，然後發出另一波長的光。螢光蛋白吸收外來的能量，如紫外線，並發出螢光。

有一點還須特別注意：生物螢光與生物發光（bioluminescence）儘管都為發出螢光，但機制卻有所不同，又以生物發光較為常見，如螢火蟲、藍眼淚（夜光藻）等；站上亦有許多關於生物發光機制的文章，歡迎讀者閱讀～！

• 延伸閱讀：朋友一生一起走，發光夥伴不常有！短尾烏賊和費雪弧菌的共生關係大揭密！——《我擁群像》

• 延伸閱讀：夏夜竹林裡的小精靈「螢光蕈」──那些發光的菇菇們！

早期對於生物螢光的研究多半是在刺絲胞動物中發現，現今則觀察到越來越多不同物種也有此機制，從無脊椎動物到鳥類再到哺乳動物，遠比原先想像得還要更加普遍。

一切都是意外的發現？

2020 年 10 月期刊《哺乳類》（Mammalia）上發表了篇關於：鴨嘴獸在紫外光的照射下，會產生藍綠色的螢光，這項發現也使得在生物螢光研究領域有一大進展。

研究團隊在森林觀察螢光的生物時，發現北美飛鼠在紫外線照射下肚子會發出粉紅色的光，於是便前往芝加哥菲爾德自然史博物館（Field Museum of Natural History , FMNH）進一步確認，他們將存放在館內的飛鼠標本進行照射，證實牠們腹部的毛會散發粉紅螢光，並將研究成果發表於《哺乳類》期刊。

在好奇心的驅使下，該研究團隊試著用紫外光照射了自然史博物館內，同為夜行性哺乳類的鴨嘴獸標本，意外發現鴨嘴獸的皮毛也會發出螢光！（以後出門都帶著 UV 燈好了）

研究過程

研究團隊詳細檢查了館內的兩個鴨嘴獸標本，分別為編號 FMNH 55559（雌性）和編號 FMNH 16612（根據腳踝上的尖刺推斷為雄性）；在黑暗的房間裡以 385～395 nm 紫外線燈照射，並用濾光片阻擋短波長（包括反射的紫外線），以提高更長的生物螢光波長的可見度，然後拍攝紫外光反射圖像。

結果顯示，鴨嘴獸的背側和腹側毛皮在可見光下呈均勻棕色，在紫外光下則呈綠色至青藍色。

團隊也檢查了這兩個標本的腹部共五個不同點，在每個位置上將探針與標本成 45° 角，並將採集的五個光譜結合起來創建平均光譜，檢測到了約 500 nm 的螢光波峰。

與光源光譜相比，兩個標本光譜顯示的結果為：吸收紫外光（200～400 nm）並發出可見光（500～600 nm），確認了鴨嘴獸的生物螢光皮毛。

為了驗證在 FMNH 標本中獲得的結果，團隊還檢查了另一個不同地點、日期收集的鴨嘴獸標本。存放在美國內布拉斯加州大學博物館（University of Nebraska State Museum , UNSM）內的雄性鴨嘴獸標本，再次驗證毛皮在可見光下呈均勻棕色，在紫外光下則呈生物螢光綠色。

在該團隊發表研究結果前不久，有另一篇論文報告了一隻剛被路殺的鴨嘴獸在黑光燈（一種照射出紫外光的燈）下發光，藉此印證了鴨嘴獸確實能發出螢光。

而在北美飛鼠及鴨嘴獸之前，唯一哺乳類會發出螢光的紀錄僅出現在 1983 年的一份有袋負鼠研究，該團隊這兩次的意外發現，無疑為哺乳世界的生物螢光拓展新知。

發光的目的

到這裡不免讓人好奇，鴨嘴獸是為了什麼目的而發螢光，或是有什麼生物意義？然而科學家們表示，目前仍不清楚鴨嘴獸為何會發光。

科學家們也為此作出了一些推斷，鴨嘴獸、美洲飛鼠和負鼠都是在黃昏至夜間活躍，許多夜行性哺乳動物似乎具有對紫外線敏感的視力，生物螢光在弱光環境中強化了適應性，進一步表明紫外線在弱光環境中具有生態意義。

因此推測：鴨嘴獸對紫外線的吸收和隨後發出的螢光，可能會降低對紫外線敏感的捕食者對牠們的能見度。不過這還得靠實地野生生態研究記錄，觀察生物螢光功能對鴨嘴獸的重要性。

2021 年也有研究團隊發現了另一種有生物螢光機制的哺乳類——跳兔（Pedetidae），而牠們也同為夜間活動的哺乳動物^[4]。

也許，生物螢光機制對在弱光環境中活躍的夜行性哺乳動物發揮著重要作用。

後記

筆者非常好奇泰瑞的顏色為什麼就剛好是藍綠色，《飛哥與小佛》2007 年在迪士尼頻道首播，確認鴨嘴獸會發藍綠色螢光則是在 2020 年發表，嗯……，這也許就是個可愛的巧合吧！

參考資料

1. Biofluorescence in the platypus（Ornithorhynchus anatinus）
2. 若你覺得鴨嘴獸不夠神奇，現在我們知道牠們也會發光！
3. 生物螢光—維基百科
4. Vivid biofluorescence discovered in the nocturnal Springhare（Pedetidae）

紫外光燈是應用非常廣的環境消毒工具，廣泛應用在手術室、圖書館、游泳池等公共場所，由於疫情的關係，又再次受到注意。但紫外光燈真的適用於家中進行消毒嗎？使用上又有什麼需要注意的地方呢？

紫外光有分三種：UVA、UVB、UVC

紫外光可以依照波長分為三大類：分別是 UVA（波長介於320~400nm）、UVB（波長介於 280~320nm）以及 UVC（波長介於100~280nm）。

其中 UVA 的穿透力最強，抵達地球的陽光中，就有許多 UVA；UVA 可穿透大氣層、車窗、玻璃進入室內及車內，甚至抵達皮膚下的真皮層，使之生成黑色素、曬黑皮膚。

同時，UVA 可再細分為 UVA-2（320~340nm）與 UVA-1（340~400nm）。UVA-1 穿透力最強，即使在非夏季、比較感受不到「熱」的時候，UVA-1 仍然存在；此時如果長時間照射太陽或是坐在靠玻璃帷幕的辦公室，一樣有可能會造成皮膚的傷害。 UVA-1也會用在礦石鑑定、舞台裝飾、驗鈔或是吸引昆蟲時使用。

透過陽光抵達地球的，還有UVB，只不過日光中多數的 UVB（波長介於 280~320nm），在前往地球的途中會被臭氧層吸收，只有約 2% 的 UVB 能到達地表。UVB 的能量非常高，能促進「體內礦物質代謝」和「形成維生素Ｄ」，但長期或過量照射除了會曬黑皮膚之外，甚至可能灼傷皮膚。

生活中，UVB 一般用於植物生長燈，調節植物的生長。

最後，UVC 是波長最短，因此能量也最密集的紫外光。多數紫外光滅菌燈就是利用 UVC 波長。UVC 能夠破壞細菌、病毒等病原體中遺傳物質（DNA／RNA）的化學鍵，讓病原體因為無法正常製造蛋白質，而立即死亡或喪失繁殖能力，達到消毒效果。目前 UVC 已被證實能夠消滅細菌、病毒、黴菌等常見病原。

但紫外光燈也不是開著就能夠有效消毒，而是要根據不同的微生物，設定不同的照射劑量。

紫外線如何「有效」殺菌？

紫外線的殺菌量劑單位是 J/m2 ，一般來說，強度高但照射時間短，與強度低但照射時間長的效果相同。

不過，考量到微生物自我修復的機制，如果紫外線照射強度低於 40μW / cm2 ，就算持續延長照射時間，也無法有效消毒；所以待消毒的物體表面照射的強度必須大於 70μW / cm2 以上，並且離紫外光燈一定距離內，才能達到９成以上的殺菌力。

另外，UVC 的穿透力很差，在許多狀況下，UVC 都可能無法有效殺菌。

例如含有雜質的液體（例如葡萄酒或牛奶），UVC 穿透的深度大約只有 0.5 – 2.5 mm，而大部分的透明玻璃、塑膠甚至是厚紙箱，都能輕易阻擋 UVC，所以遇到過大、過厚的包裝，就無法用 UVC 有效對內容物進行殺菌。

紫外光具的殺菌力也容易受到灰塵、油漬的影響穿透力；相反地，對沒有照射到紫外光的家具背面與死角、衣物內面等，不但沒有殺菌效果，甚至還可能會加速家具、染料、藝術品、牆面表面褪色。

雖然多數的商用紫外光燈具，都會搭配藍紫色的光，讓我們可以看見它的照射範圍，但由於最主要的紫外光是不可見光，所以不應該完全依賴肉眼所見；而長時間例行使用的設備，每三到六個月，也應定期檢查燈管的照射強度。

用紫外光殺菌，也要小心別傷到自己！

雖然使用紫外光消毒看起來非常方便，不過既然紫外光對各種病原體都有殺傷力，對人體的傷害也不容小覷。

最常見的，就是因為直視紫光燈管，導致眼睛出現「強光性角結膜炎」​；長期照射紫外光，也可能會造成皮膚灼傷、皮膚癌、黑色素瘤等傷害。此外，2011 年 4 月 13 日，世界衛生組織也已經將所有類別的紫外光輻射歸類為「一級致癌物質」。

如果真的想用紫外光燈消毒環境時，建議使用能夠設定時間啟動的固定式設備，等人離開環境了之後，再開始進行消毒，並保持空間通風，才是正確的使用方式。

參考文獻

1. UV Lights and Lamps: Ultraviolet-C Radiation, Disinfection, and Coronavirus
2. Ultraviolet (UV) Radiation