M94星系，環裡有環？

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/Steed

12月14日，中國的嫦娥3號著陸器成功在月球虹灣著陸區登月。儘管此次探月任務沒有跟美國NASA展開任何形式的合作，但NASA仍在官網上放出了一篇文章，簡述了他們對在月球探測方面取得的種種進展，還一一細數了目前仍在執行任務的4艘繞月衛星將對嫦娥3號登月展開怎樣的觀測。NASA指出，他們「將這次著陸視為一次全新的科研機會，或許能夠增進對月面大氣的研究和觀測。」以下內容就是NASA官網上那篇文章的部分摘譯：

自阿波羅計畫將12人送上月面以來，美國太空總署（NASA）一直致力於月球科學。憑藉「克萊芒蒂娜」（Clementine）和「月球勘探者」（Lunar Prospector）之類的現代探測器，以及最近完成的LCROSS和GRAIL等任務，NASA的科學研究已經幫助繪製出了月面地圖，確定了水冰的存在，還理解了我們這顆衛星不規則的引力場。NASA當前的月球任務，正在幫助NASA更好地理解我們的太陽系，給未來對其他行星天體的探測提供信息，讓我們離未來探測小行星和火星之類的目的地所必需的技術更近一步。

科學家目前正在利用4艘NASA的繞月衛星研究我們的月球。中國的嫦娥3號於12月14日登陸月球，或許會給它們提供一次機會來採集新的數據。美國和國際上的研究者將這次著陸視為一次全新的科研機會，或許能夠增進對月面大氣的研究和觀測。

嫦娥3號登月時，NASA的「月球大氣及塵埃環境探測者」（LADEE）、「月球勘測軌道飛行器」（LRO）和兩個被稱為「加速、重聯、湍流及電動力學月球－太陽交互作用」（ARTEMIS）的探測器，仍在繞月軌道上繼續它們的科學任務。

儘管美國和中國在這些任務之間沒有展開合作，美國的研究者從這次著陸中看到了潛在的科學價值。採集到的這些數據，將向國際科學界公開。

LADEE

LADEE，即「月球大氣及塵埃環境探測者」，配備著專業設備用於測量大氣成分和塵埃顆粒，或許能檢測到嫦娥3號登月時揚起的塵埃及排出的氣體所導致的月球大氣變化。

探測器原本的目標，是要研究月球原始大氣及軌道塵埃環境。利用探測器上攜帶的設備，科學家希望回答長期懸而未決的一個問題：月球上因為陽光照射而被帶上電荷的塵埃，能不能解釋幾次阿波羅任務期間檢測到的、在日出之前就出現在月球地平線上的光芒。

自11月10日降低繞月軌道開啟為期100天的首要任務以來，LADEE一直在收集科學數據。科學團隊已經為極其稀薄的月球外大氣層以及塵埃撞擊，建立了科學數據的基準線。在嫦娥3號著陸之前，LADEE團隊收集的數據已經覆蓋了一個完整的月相週期（29.5天）。

在嫦娥3號著陸前後，LADEE將利用它的中性質譜儀（NMS）展開額外的觀測。根據目前能夠獲得的、對嫦娥3號著陸系統的描述，研究團隊推測著陸推進系統將排出一些氣體產物，如水蒸氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳及氫氣。NMS將監測這些產物的密度。此外，LADEE還將繼續它的基準線觀測，以查看月面軟著陸能否對月球的背景塵埃及氣體環境產生足以檢測的變化。

LRO

2009年6月發射升空的月球勘測軌道飛行器（LRO），已經對月球的外大氣層進行了多項科學研究，並且取得了不少獨一無二的成果。這個探測器還拍回了大量清晰度空前的月面圖像。

在嫦娥3號登月的當天，LRO將進行多達8次的空間機動，利用它所攜帶的萊曼阿爾法測繪儀（LAMP）掃瞄著陸點附近的月面區域。這台紫外成像光譜儀將尋找嫦娥3號排出的煙塵。

從12月起，LRO上的相機（LROC）將有能力對著陸地點及月球車拍照，分辨率高達每像素大約2米。隨著月球的自轉將嫦娥3號的著陸地點帶到LRO的軌道平面以下，LROC每月都將有機會進行這樣的拍照觀測。反覆的成像觀測，將細緻地測量著陸造成的地表變化，以及玉兔月球車在月面上的運動。

LROC拍攝的照片能夠分辨出嫦娥3號降落引擎導致的地表變化，就如同它對過去的月面著陸器進行的同類觀測一樣。第一次嘗試拍攝時，光照條件不會太理想，因為著陸地點的太陽高度太低，但在接下來的幾個月裡，光照條件會有所改善。嫦娥3號著陸導致的月面大氣及地表的改變，將為LRO提供一個全新的科研機會，來仔細觀察月面上氣體的輸運，以及局部擾動對月面浮土的影響。

LRO不只傳回了未來載人及無人探測器所需的全部資訊，還顯示出月球要比科學家之前所想像的更加複雜、也更有活力。LRO將繼續向地球發回月球的數據，直到2014年10月。此外，它的任務還有可能再延期2年。

ARTEMIS

ARTEMIS衛星將協助LADEE解釋它對嫦娥3號登月所做的測量。

NASA的ARTEMIS任務由兩顆衛星構成，自2010年以來就在繞月軌道上運行。它們原本是NASA的另一項任務THEMIS的探測器，那項任務一共動用了5顆衛星。ARTEMIS任務讓NASA重新啟用了其中兩顆在軌衛星，以延續它們的科學使命。

第一顆ARTEMIS衛星（P1）於12月14日從距離月面不到200千米的地方飛掠。按照當前的計畫，這顆衛星將尋找與嫦娥3號登月有關的等離子體煙塵及磁場跡象。第二顆衛星（P2）將觀察原始的太陽風等離子體及磁場狀況。這些都是確定月面塵埃為何會揚起所必需的信息。

目前ARTEMIS的研究著眼於測量月球表面的靜電荷、月球在超音速太陽風中拖出的等離子體尾跡，以及月球與太陽風的相互作用。

轉載自果殼網

科學家Kenji Hamaguchi等人利用歐洲太空總署（ESA）XMM-Newton、美國航太總署（NASA）錢卓（Chandra）和日本朱雀（Suzaku）等三架X射線觀測衛星進行觀測，呈現出一顆年輕類太陽恆星以高速自轉並向外噴濺大量超高溫電漿的劇烈行為。這或許是與太陽類似的恆星誕生時的普遍現象。

這類恆星是從氣體與塵埃組成的星雲中誕生。雲氣受到自身的重力影響而逐漸向內塌縮，在雲氣濃密的中心處形成一個原恆星（protostar，或稱為胎星），原恆星周圍則有氣體塵埃盤環繞。當氣體塵埃盤中的物質以每秒數百公里的高速持續向中心掉落，原恆星因而得以成長成一顆正式的新生恆星。

並不是所有物質都會落往原恆星，有一小部分物質會隨著原恆星南北兩極的噴流被高速向外拋出。這些噴流高度不穩定，其活躍程度便是氣體塵埃盤最內側區域的強烈活動指標。由於中間的原恆星被濃厚的氣體塵埃包覆，不易觀察這個最內側區域的狀況；然而，X射線卻可穿透這個濃密而不透明的區域。因此科學家們利用X射線監測一顆年輕的類太陽恆星，獵戶座V1647（V1647 Ori），企圖重新建構環繞恆星的氣體塵埃盤最內側究竟發生了什麼事。

獵戶座V1647位在距離地球約1300光年遠的麥克尼爾星雲（McNeil’s Nebula）中。Hamaguchi等人利用上述幾架X射線衛星監測兩次跨越數年的爆發事件，一次在2003～2006年，第二次則從2008年迄今未歇。觀察發現這兩次爆發事件中，恆星質量成長速度變快，X射線亮度陡然增加，溫度也劇烈增加至攝氏5000萬度。

Hamaguchi表示：或許是這顆恆星表面的磁場活動製造出超高溫電漿。太陽表面也有類似的磁場活動，但獵戶V1647的狀況卻是連結轉速不同的恆星與塵埃盤的磁場持續扭曲、斷裂、重新連結。引發恆星表面磁場活動的原因也可能是物質堆積到恆星表面所造成的。

此外，Hamaguchi等人還發現另一種規律地重複發生的X射線輻射變動，變動週期約為1天左右。以獵戶V1647的體積大小而言，這種規律的X射線變動，顯示這顆恆星自轉速度異常快速，瀕臨分崩離析的地步。同時，落在恆星表面的物質在恆星表面相反的兩處位置形成扁薄的熱點，隨恆星1天的自轉週期而轉動。Hamaguchi等人看到的規律性X射線變動，就是這些熱點隨恆星自轉，反覆出現或消失在我們視野中的結果。

可是，2004年和現今所觀測到的這個X射線輻射規律心跳，卻不盡相同，顯示這雖然是個雜亂無章的行為，但總歸恆星-塵埃盤系統間的大尺度結構可維持長達數年的穩定狀態，而不至於變化得過於快速。

資料來源：X-raying the beating heart of a newborn star[2012.07.04]

轉載自台北天文館之網路天文館網站