克卜勒衛星捕捉到眾多多重行星系統

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

浩瀚宇宙中，地球是唯一具有生命的星球嗎？會不會在銀河系內的某顆星球上，也有個高度文明在凝視著我們？望著繁星點點的夜空，總不免會興起這樣的念頭吧？然而我們看到的星星，除了幾顆是系內行星與人造衛星之外，其實都是像太陽這樣的恆星，上面本來就不可能有生命。要尋找外星生命，我們得把目標放在繞著恆星轉的行星。

問題是，行星本身不會發亮，我們如何看見太陽系外的行星？

的確，即使行星會反光，若非過於微弱，就是被恆星的光遮蔽。因此長久以來，天文學家普遍相信我們不可能發現系外行星。但是1995年，瑞士日內瓦大學的梅爾（Michel Mayor）與奎羅茲（Didier Queloz）卻宣稱在51光年外的飛馬座51恆星發現一顆行星。這是怎麼做到的？

原來行星繞著恆星公轉時，恆星會因行星的重力作用拉扯而產生輕微擺動，影響恆星朝向地球與遠離地球時的速度，而產生不同的光譜偏移。從偏移程度可以推知恆星相對於地球的運動速度，如果速度呈現週期性變化，就表示有行星存在，而且還能推算出行星的質量大小。

不過這個方法除了質量，對行星仍一無所知。不過，1999年11月5日，美國加州大學柏克萊分校在飛馬座中距離地球約150光年處，發現一顆繞行恆星HD 209458的行星，除了知道它的質量是木星的0.7倍（相當於地球的220倍），還知道體積是木星的2.5倍、大氣成分含有氧和碳。

這顆編號為HD 209458b，別名「歐西里斯」（Osiris）的行星是首度以「凌日法」觀測到系外行星。凌日法的原理是：行星軌道若介於母恆星與地球之間，當它橫過恆星表面時會擋住一小部分的光，我們就可以根據恆星發光的減少程度推算行星的體積。而且恆星的光穿過行星的大氣層時，會被其中所含的元素吸收特定頻率的光，而改變光譜，因此可以得知行星的大氣成分。

歐西里斯的發現是尋找系外行星的重要里程碑，因為知道大氣組成有助於更有效率地發現適合居住的星球。至2014年為止已經發現了約一千顆系外行星，而在質量略大於地球的「超級地球」中，擁有大氣層與一定溫度以上的系外行星更被視為尋找外星生命的優先對象，就讓我們拭目以待吧。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

(Kepler-37系外行星家族與其他太陽系行星的大小比較。圖出處:NASA)

文 / WhyJ

天文學界搜尋系外行星的競賽在一般人的眼中看起來可能很有趣：找到越小的系外行星，代表你或你的研究團隊越厲害！筆者推測，Kepler-37b這顆NASA在今年二月宣布發現的比水星還小的系外行星，應該可以讓他們炫耀好一陣子吧。

從第一顆系外行星被發現以來，至今雖然未滿20個年頭，但在這短短的時間內，進展可謂一日千里。從剛開始只能探測比木星還要大好幾倍的氣體巨星，逐漸地增加探測下限，世界各國的研究者都在絞盡腦汁思考如何能探測更小的行星，尤其是像太陽系內類地行星的這種大小，更是天文學家亟欲搜尋的熱門焦點。

近幾年來，觀測技術與儀器的進步終於讓我們以大海撈針的搜索方式找到了跟地球大小差不多尺寸的系外行星，例如NASA在2009年發射的克卜勒太空望遠鏡，就是專門用來執行搜索系外行星的任務。而它也不負眾望，到目前為止竟然已經發現了2740顆可能的系外行星！其中有些甚至是同一顆恆星具有許多衛星，儼然已經是「另一個太陽系」。

這次的主角Kepler-37，也是克卜勒太空望遠鏡所調查的一顆恆星。今年二月Barclay等人新出爐的研究指出，在Kepler-37的光度隨時間變化的曲線中，存在著因為行星運行至恆星前面，而造成恆星的光度短暫下降，並週期性重複的現象。這種方法稱為「凌日法」，是目前探測與地球大小相當的系外行星的少數辦法之一。由於行星越小，凌日時能夠遮掩恆星的部分越少，觀察到的光度下降量就越低，因此越難偵測。但如果反過來思考，只要知道恆星的光度下降量，就可以回推系外行星的精確大小。經過計算後，Kepler-37有三個行星，分別為Kepler-37b, -37c與-37d，而他們的相對大小如圖所示。

發現了嗎? Kepler-37b比水星還要小，跟月球的尺寸相當。這發現可謂意義重大：如果有個一模一樣的「太陽系」在遙遠的深空彼端，科學家終於有能力把裡面的成員一一揪出來了! 雖然對外星生命的狂熱者來說，因質量太小而不太可能有大氣或海洋存在的Kepler-37b可能是個令人失望的行星，但Barclay等人的論文中倒是有句宣示意味濃厚的結語：「以後這種大小的行星一定會越找越多!」，看來系外行星探索的任務，還真是令人期待。

參考資料：

• NASA’s Kepler Mission Discovers 461 New Planet Candidates. NASA [01.07.2013]
• Barclay et al. (2013), A sub-Mercury-sized exoplanet. Nature 494, 452-454.