海洋垃圾能掉到多深？

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

深海的暗氧：無光環境中的神秘氧氣生成

深海，被譽為地球最後的未開發疆域，隱藏著許多不為人知的奧秘。數千公尺深的海底沉積了數量龐大的多金屬結核，這些礦物因含有大量珍貴金屬，對現代技術，尤其是能源轉型，至關重要。然而，科學家在探索這些結核的過程中意外地發現了一種神秘的現象：暗氧，即在無光的深海環境中生成氧氣的過程。這一發現不僅可能改變我們對海洋生態系統的理解，還可能重新定義地球早期生命起源的故事。

長期以來，科學界普遍認為氧氣的生成依賴於光合作用。光合作用是植物、藻類及一些細菌透過陽光將水和二氧化碳轉化為有機物並釋放氧氣的過程。這一過程主要發生在地球表層和淺水區域，是維持大氣和海洋中氧氣含量的核心機制。根據這一觀點，只有在陽光能夠到達的區域，氧氣才能被生成。因此，對於深達數千公尺的深海區域，我們的認識是，氧氣主要來自於表層水透過洋流輸送到深處。

然而，深海中缺乏光源，光合作用無法進行，這意味著氧氣在深海中的供應受到限制。雖然洋流能夠在一定程度上將氧氣輸送到深海，但這一過程極其緩慢，往往需要數百年甚至上千年才能完成一次循環。因此，科學家一直認為深海是一個缺氧的環境。

多金屬結核的發現，是新能源的關鍵，還是海洋生態的災難？

在這樣的背景下，科學家對深海進行了更深入的探索，並發現了錳結核（英語：Manganese nodules），又被稱為多金屬結核這一珍貴資源。多金屬結核是富含金屬的岩石，其主要成分包括鈷、錳和鎳等金屬。這些結核廣泛分佈於全球深海區域，尤其是太平洋海域，儲量高達數兆噸。這些金屬對綠色能源技術，如電池生產，具有極高的價值，吸引了全球各國的關注。

然而，這些結核不僅是地球資源的寶藏，它們還隱藏著另一個重要的發現。2013 年，科學家安德魯·斯威特曼（Andrew Sweetman）在太平洋克拉里昂-克里珀頓區域進行深海研究時，意外地發現，在封閉的深海水域中，氧氣濃度竟然有所增加。這一現象引發了科學界的極大關注。

暗氧的生成機制

斯威特曼的研究團隊推測，深海中的多金屬結核可能在某些化學條件下，充當了天然電池。這些結核通過電化學反應將水分解為氧氣和氫氣，從而在無光的環境中產生了氧氣。為了驗證這一假設，團隊在實驗室中模擬了深海環境，並確實觀察到氧氣從結核生成的現象。

不過，這一過程並非如想像中簡單。根據實驗數據，某些海底結核表面的電壓僅為 0.95 伏特，卻能夠生成氧氣，這與理論上需要的 1.6 伏特電壓不符。研究團隊進一步推測，這可能與結核的成分有關，例如含鎳的錳氧化物可能起到了催化作用，降低了反應所需的能量。此外，結核表面的不規則排列及空隙可能也促進了電子轉移和水的分解。

暗氧的發現挑戰了我們對氧氣生成的傳統理解。過去我們認為，地球上的氧氣主要來自於光合作用，但這一現象表明，甚至在無光的深海環境中，氧氣也能通過無機物的電化學反應生成。這意味著，我們對於地球早期氧氣循環及生命演化的認識可能存在重大疏漏。

尤其值得注意的是，多金屬結核的形成需要氧氣，而這些結核大量出現在深海中，是否表明早期地球上就已經存在非光合作用的氧氣生成機制？如果是這樣，暗氧是否可能推動了地球上生命的起源？這一問題仍然未有定論，但暗氧的發現無疑為生命起源的研究開闢了一條新的途徑。

未來的挑戰：開採深海資源還是守護地球最後的「淨土」？

除了科學研究的價值，多金屬結核也吸引了全球對於深海資源開採的興趣。這些結核富含稀有金屬，特別是對電池生產至關重要的鎳和鈷。然而，大規模的深海開採可能會對海洋生態系統造成嚴重破壞。

首先，深海採礦可能導致噪音和光污染，破壞深海生物的棲息地。此外，採礦過程中產生的懸浮物可能對海洋生物，尤其是水母等生物造成生理負擔。研究顯示，水母在模擬的採礦環境中會因應對懸浮物而消耗大量能量，這可能削弱其免疫系統並降低生存率。

因此，雖然深海資源的開採看似能解決當前的能源危機，但國際間對此議題的爭議仍然持續。全球已有32個國家支持暫停或禁止深海採礦，呼籲進行更多的生態影響研究以確保環境保護。

暗氧的發現，不僅為科學研究帶來新的挑戰，也為深海資源的開採提出了更高的要求。在能源危機與生態保護之間，我們需要尋找平衡點。未來的技術或許能夠在不破壞環境的情況下，模擬自然過程生成多金屬結核，從而實現可持續的資源開採。

此外，暗氧現象的發現也為探索外星生命提供了新的思路。當我們在其他行星上發現氧氣時，不一定意味著那裡存在光合作用生物，可能是類似多金屬結核的無機反應在默默進行。這一發現或許將改變我們對地外生命的定義與尋找方式。

深海的秘密仍在不斷被揭開。從暗氧的發現到多金屬結核的開採，這片未開發的疆域將在未來的科學探索與資源爭奪中扮演至關重要的角色。無論是能源危機的解決還是生態系統的保護，我們都應以謹慎且負責任的態度面對這一未知的領域，避免打開潘朵拉之盒。

本文由 HP 委託，泛科學企劃執行。 

海廢問題怎麼解？竟然有人回收漁網做筆電！？

你知道嗎？地球上最大的垃圾場，就是我們的大海。全世界一般依據位置，將海洋廢棄物分為海岸、海漂與海底三大類。英國麥克阿瑟（Ellen MacArthur）基金會曾預測，我們的海洋，到 2050 年會變成垃圾比魚多的塑膠濃湯。其中，最有名的就是太平洋垃圾帶（Great Pacific Garbage Patch），它的面積有 3 個法國和 44 個台灣那麼大。

到底是誰在亂丟垃圾？垃圾與它們的產地在哪裏？

科學家發現，漁業大國貢獻了不少垃圾，台灣更是榜上有名！雖然從陸地而來的垃圾量也很可觀，但來自漁業活動、源於海洋的廢棄物如漁網漁具，更難回到岸邊，因此成為海上最主要的垃圾。科學家推算，每年大概總計有四成的漁網漁具會掉到海中。

從太平洋垃圾帶撈回來的垃圾分析，其中 46% 就是廢棄漁網。科學家還一一檢視垃圾上的標籤字眼，發現源頭是五個北太平洋的漁業大國——日本、中國、韓國、美國及台灣。更別説全球還有另外四個海洋垃圾帶，所有垃圾量加起來勢必會更驚人。

但也先別急著怪漁業從業人員，因為他們也不一定是故意要亂丟垃圾的。瞬息萬變的大海，本來就不是一個好作業的地方，破壞、遺失設備是常有的事。不過海洋垃圾問題如此棘手，難道就沒有解決方案嗎？

人類與垃圾帶的對決，勝算到底有多大？

其實已經有不少人投身清除海洋垃圾的工作。大家還記得太平洋上的海洋吸塵器嗎？這個由「海洋清理行動（ The Ocean Cleanup ）」發起、號稱史上最大海廢清除計劃，雖然一開始出師未捷身先死，下水沒幾個月就故障，但後來升級調整後，已在今年 5 月完成執行第 100 次的任務。

除了清除海上的垃圾，從河川攔截也很重要。The Ocean Cleanup 還研發了攔截者（The Interceptor），它是一艘太陽能自動船，船頭設有一道垃圾集中屏障，能將垃圾引導進入船上的收集系統再集中處理。

其他活躍在海洋垃圾清除前線的，還有來自澳洲的全自動海洋垃圾桶 Seabin，被裝設在港口碼頭的它，透過底部幫浦製造水流，讓海廢可以從水面被吸入，小至 2 毫米的微塑膠也可被收集到其纖維網袋內。印度的 AlphaMERS 團隊，則設計了攔截漂浮垃圾的柵欄與串聯清掃系統，可以清除河川與湖泊表面的廢棄物。有標誌性大眼、水車造型的 Mr. Trashweel，被設置在美國巴爾的摩港口，結合太陽能與水力發電，使用清除海上油污的攔油索，將垃圾引導到它的垃圾箱中，每年可攔截 500 噸垃圾。荷蘭的泡泡屏障 the Bubble Barrier ，設計原理也相當聰明，它會從水底產生「氣泡簾」，引導塑料垃圾到水面上，再利用水流把垃圾推向捕獲系統，克服了大型撈網會阻擋船隻或海底生物，以及高維護更替成本的問題。

廢漁網改頭換面？

不過要讓海廢界的奪命殺手——廢棄漁網「洗心革面」，在技術上有一大難關，因為漁網主要是以尼龍製作的。尼龍是聚硫胺高分子（Polyamide），在分子主鏈上因為有大量高極性的化學基，分子鏈間作用力較强，還能在產生氫鍵的同時，使結構排列整齊，造就了它優秀的韌性强度。

但如果用回收寶特瓶的「物理回收」，即沒有改變其聚合型態的方式來回收尼龍，尼龍的分子鏈就會斷裂，大幅影響纖維的機能性，走上被降級使用一途。好在如今已有廠商研發出「化學回收」尼龍的技術。收集來的廢棄漁網先被清洗、切碎成段，接著被高溫熔融，再透過像「術式反轉」的解聚（depolymerization）、分解、精煉及純化工序，讓尼龍從聚合物還原到單體狀態。這些原料單體會再被聚合，製造成尼龍再生粒子。被混煉改質、强化性能的粒子重新進行紡絲後，會形成全新的尼龍纖維，就可以被無限循環利用啦！

這種做法，可以大大節省原本用來製作原生尼龍的石化資源、減少碳排放，還可以讓廢棄漁網重獲新生。再生尼龍可以拿來做衣服、眼鏡，甚至可以搖身一變，變成你桌上的筆電！

「親愛的，我把漁網做成筆電了！」是誰這麼瘋？

是誰想到要把廢棄漁網做成筆電？早在 2019 年，HP 就領先全球，推出全球第一款使用海洋回收塑料的筆記型電腦，打破我們對海洋廢棄物的想象。在 2023 年，更進一步海洋垃圾中難以忽視的狠角色廢棄漁網，打造出 HP EliteBook 1040 G11頂級輕薄商務筆電！

HP EliteBook 1040 G11 貫徹環保永續理念，是世界上第一款採用從海洋中回收的廢棄漁網製作成鍵盤的筆電。除了讓廢棄漁網重獲新生，外殼也採用部分回收鎂合金製作，外盒包裝 100% 採用可回收材質。而且我敢保證大家絕對想不到，這台筆電的材質，竟然還包括回收的家庭用油！

是的，你沒聽錯，就是 cooking oil！食用油經過回收，可以製成生質材料聚羥基烷酸酯 (Polyhydroxyalkanoates，PHA)。PHA 是目前市面上唯一可在海洋分解之生質塑膠，可謂是新興生質塑膠材料中的明日之星！雖然使用回收材質會提高成本，但 HP 持續以實際行動，支持減碳、森林復育及循環經濟，創造永續發展。

你也許有疑問，用海洋廢棄物製作的筆電，性能靠不靠得住？別擔心，HP 重視環境保護，效能也不馬虎！HP EliteBook 1040 G11 完美展現 AI 潮流下劃時代的超效能，搭載 Intel® Core™ Ultra7 H 處理器，再搭配 Intel® Arc™內顯，3 大 AI 引擎實現高效能低功耗，大大提升生產力。

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這台筆電，還有什麽神奇的地方？

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參考資料：

• 環團公布西海岸海廢調查結果 逾六成來自養殖漁業 籲中央速與漁民協商 https://e-info.org.tw/node/232513
• 海保署今(109)年首度清除海底垃圾….廢棄漁網佔88.79%為大宗https://www.oca.gov.tw/ch/home.jsp?id=14&parentpath=0,2&mcustomize=news_view.jsp&dataserno=202012300001
• Evidence that the Great Pacific Garbage Patch is rapidly accumulating plastic | Scientific Reports 
• The status and fate of oceanic garbage patches | Nature Reviews Earth & Environment
• Explainer: What Is the Great Garbage Patch? | Earth.Org
• Plastics in a Circular Economy | Ellen MacArthur Foundation  
• Industrialised fishing nations largely contribute to floating plastic pollution in the North Pacific subtropical gyre | Scientific Reports 
• Ghost Gear: The Hidden Face of Plastic Pollution 
• Estimates of fishing gear loss rates at a global scale: A literature review and meta‐analysis 
• 海洋裡不斷抓交替的孤魂野鬼──幽靈漁具 
• 海洋吸塵器啟動！咦？怎麼一下就結束了？ – PanSci 泛科學 
• The Ocean Cleanup to Complete 100th Extraction Live From the Great Pacific Garbage Patch | Press Release 
• 海洋吸塵器完成首次任務下一步：為垃圾再製品建立透明「價值鏈」 | 環境資訊中心 
• Interceptor Original | Rivers | The Ocean Cleanup 
• Seabin 
• alphamers.com 
• https://www.mrtrashwheel.com/
• https://thegreatbubblebarrier.com/technology/ 
• 回收漁網之混煉改質與加工技術：材料世界網 
• 海洋回收尼龍混煉技術發展 
• 尼龍的蛻變－朝永續環保前進
• 廢漁網回收參考手冊 – 海洋保育教育文宣品 
• 海廢回收再利用減廢又減碳 
• 廢蚵繩、漁網救星海保署攜手台化再利用明年有望量產海廢再生尼龍
• What is Econyl Fabric: Properties, How its Made and Where | Sewport
• 海廢新演繹蚵繩與漁網的循環經濟 
• HP Inc. Launches World’s First PC With Ocean-Bound Plastics 
• Sustainable plastics: A new origin story – HP 
• 以菜籽油、有機廢棄物轉化生物可分解材料PHA | TOP塑膠趨勢網