《國家地理雜誌》中文版回來了！

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

把整隻結凍的火雞一口氣丟到熱油裡會怎麼樣？把家裡的熱水瓶鎖死並不斷加熱會怎麼樣？把各種髮膠、定型液、香水點燃會怎麼樣？這些你可能老早就想在家裡試試看卻不敢做的瘋狂實驗，全都能在國家地理頻道《街頭科學實驗室》裡看個過癮！

主持人提姆蕭（Tim Shaw）善於引爆各種生活中常見的易燃物，並把各種意想不到的東西放進微波爐、急速冷凍、加熱、壓縮、從高處拋下，讓人看了膽戰心驚，卻有一種從小到大的心靈渴望獲得滿足的感覺，究竟這些神奇又瘋狂的實驗是如何被設計，又怎麼確保安全與實際操作呢？帥氣高大的Tim到底是怎麼樣的人呢？

台灣最大科學社群－泛科學很榮幸可以和專訪到提姆蕭，就讓從小就有從高樓拋摔物品、引爆火藥嗜好的J編（好孩子不要學）替各位揭露Tim Shaw的瘋狂實驗秘辛吧－（請自行切換雙語頻道）

J：在《街頭科學實驗室》裡的大型科學實驗中包含了不同領域的科學原理，請問製作團隊是怎麼設計那些大型科學實驗的呢？

提姆：我們節目團隊共四個人，我們設計了超多大型科學實驗。事實上，很多實驗是利用類似的科學原理，用各種不同的方式來包裝這些科學讓民眾易於理解。

（舉滅火器冰淇淋的例子）我們一直都知道你可以把CO₂收集在袋子裡，滅火器噴射之後你就會得到乾冰。好的，現在有了乾冰，我就會想：我們該怎麼利用這個乾冰來設計一個可以讓民眾印象深刻的科學表演？然後我們就想到大家都愛冰淇淋！太好了，我們來個乾冰冰淇淋！所以我們就從滅火器裡取得的乾冰做出冰淇淋，就出現了這個令人印象深刻的表演。

J：所以你們怎麼確定那些實驗的安全性呢？

提姆：喔！我們不確定啊！

（J編大驚）

提姆：工作團隊中有些經驗比較豐富的人，會在正式開拍前測試，但即使如此還是無法預測在開拍當下會發生什麼事，而且大型實驗的成本很高，不可能測試太多次。所以正式來的時候你必須躲得遠遠地－安全距離的兩倍遠，特別是會爆炸的實驗！有時候你甚至覺得自己退太遠了，但這是必要的，因為我們節目中還包含了路過來觀賞實驗的民眾，他們可能不知道那些滾燙的水或冷凍的氣體有多危險！

我們很擔心一件事，就是觀眾看完之後想自己在家裡面嘗試這些實驗。一些實驗我們在節目中不去公開做法就是這個原因，科學非常有趣，但你必須謹慎行事。

有時候我們也會出錯，（這時提姆喊了一下坐在隔壁桌的技術顧問吉米，問他搞錯的機率大概多少），大概兩成或一成的機率會猜錯實驗結果，有些表演在實行前我們也不完全知道會發生什麼事。你知道的，我們沒有那麼多錢去做同一個實驗三次（動輒燒掉一台車子）然後再實際拍攝，所以有些實驗我們只試驗一次，看會發生甚麼事，然後就在錄影的時候向觀眾解釋其中的科學原理，這就是我主要的工作。

這節目本質上是個秀，我們會在街上邀請路人來參與，也會有人看到就主動過來參與；我現在就可以在餐廳裡（提姆指向對面桌陌生的用餐民眾）找幾個人對他們說：「嘿！快來看我在做什麼！你們看這裡有滅火器，我要用滅火器做冰淇淋喔！蹦！」

 J：請問你在和其他領域的科學家合作時有沒有遇到什麼困難呢？

提姆：常常會遇到困難，但我非常享受找尋答案的過程，我並不會（因為自己是工程學出生）對其他科學感到害怕，我也不害怕向別人坦承「我不知道」；承認自己「並不知道」是一件很酷的事情。我知道自己的知識事實上很有限，如果你問我太過深入的物理原理，我大概完全沒有頭緒，但我會去閱讀，然後我就能理解它。

我知道我的長處在哪裡，我善於解決問題、有縝密的邏輯、有自己的創意。我和其他工程師的思考方式不太一樣，有時候我跟他們溝通也有一些問題，你知道有些工程師的腦袋常是這個樣子（敲桌子），他們常常沉浸在自己的領域裡面，在既有的框架裡思考。但我不喜歡被既有的知識限制，我喜歡跳脫既有框架思考，但有些工程師太不懂變通了，他們常常只專注於前人的發現和理論，但我認為有些事情就是要多去玩、多去試，然後你才知道會發生什麼事。

J：你曾經在玩實驗時出過錯嗎？

提姆：當然，我年輕時做的實驗不勝枚舉，而且常常發生意外。

J：談談最糟的一次經驗吧！

提姆：呃……（提姆停頓了兩秒，似乎因為太多事例不知道該講哪一個）…實在太多了，我曾經想要試驗不同的化學反應；以前上學的時候可以在學校取得鉀、鎂……各種你想要的化學物品，學校感覺就一副「來拿吧！拿去吧！」完全都不擔心會發生恐怖行動。我的科學老師幾乎什麼都給我，隨我們高興地實驗，所以我常常燒掉自己的眉毛。還有一次我想在我房間裡用釘子做實彈射擊，然後他就穿透了我房間的磚牆，我就眼睜睜看著它穿透牆壁，傻在那裡。

J：你有什麼實驗計畫是你一直想做但還沒有真的試過的嗎？

提姆：有一個我很想做做看的計畫，我稱它為「飛天掛勾」（skyhook），我甚至已經把草圖畫好了，你可以抓著它飛在天空上就這樣（提姆伸直左手做出超人飛翔的姿勢）。它最酷的地方是你可以像超人一樣憑空固定在一個沒有任何接著點的掛鈎，要做這個實驗我們需要超導體；當你用液態氮把它的溫度降低到一定的溫度的時候它就會產生磁性，所以我們就像做漢堡一樣，把超大磁鐵放在超導體上，然後降低超導體的溫度，磁鐵就會飛起來，然後我們再讓一個人抓住浮起來的磁鐵，他就會飛在半空中，挂在一個完全懸空的物體上。

但這個實驗非常危險，要是溫度沒有控制好，大磁鐵就會掉下來，然後你就會在大磁鐵和超導體間被夾成肉餅，所以我們到現在都還沒有做這個實驗，但我真的超想做的！

J：假如我下星期要去參加一場派對，我超想讓所有人對我印象深刻，有沒有甚麼可以現學現賣的速成科學表演呢？

提姆：喔！我要講其中一個我最喜歡的實驗，但它有點危險，你先拿一支點燃的火柴，把它放進微波爐裡再倒扣杯子蓋住，然後啟動微波爐，它開始加熱時候你就會看到火焰飛升到杯子頂端。

J：我看過那一集耶！

提姆：好，那我再教你另一招，你可以把燈泡放到微波爐裡，然後點亮燈泡。

喔，對了！還有一招，你需要一杯威士忌，還有一杯水，還有一個紙杯墊（或者名片）–最好使用shot glass效果比較好。把水倒扣在杯墊上，然後在疊在威士忌的杯子上，小心抽掉杯墊之後你就會看到兩種液體在互換。這只是運用非常簡單的科學原理，但看起來超酷！

經過了這次的採訪，我們發現原來《街頭科學實驗室》並沒有太過艱深的科學原理，有許多甚至可以應用在在家裡自己試試看，設計實驗的重點其實還是要跳脫思考框架，也可以用相同的科學原理嘗試多種變化，接觸不同領域的知識，並且不斷去試、去玩，或許你也可以設計出令人印象深刻的科學表演喔！（但天馬行空的同時也要注意安全，謹慎地看待科學實驗）

最後想請大家分享一下，無論是在生活中、實驗室或是舞台表演，有看過哪些精彩的科學實驗表演呢？那些表演是不是都偷偷用了相同的科學原理呢？