以同步輻射調查槍擊案！

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

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇，但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例，平均每星期會發現一種新種恐龍，每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域，同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如，南非威特沃特斯蘭德大學（University of the Witwatersrand）領導的國際科學家團隊，針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨，進行 3D 複製重建，發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同，研究成果發表在《科學報導》（Scientific Reports）上。

在台灣，由加拿大多倫多大學教授賴茲（Robert Reisz）與台灣學者組成國際團隊，花費兩年時間，運用超高解析二維紅外光譜顯微術，在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中，發現殘留有機物，找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》（Nature）雜誌封面。

此外，在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中，國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換，恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後，還是有機會被保存下來，」李耀昌表示，這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》（Nature Communications）期刊，並獲選為《發現》（Discover）雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名，是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白，恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館，以及中國大陸地質科學院地質研究所合作，蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒，利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對，首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間，存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層，可以保護牙齒，避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知，因此登上國際知名期刊《科學報導》（Scientific Reports）與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對，國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤，沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時，斜口鉗當場應聲斷裂，只好再買一把硬度更高的老虎鉗，費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

牙齒的特殊結構，使得肉食恐龍成為頂尖獵食者，稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤，以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷，「暴龍的咬合力約 6,000 公斤，且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸，但靠著微小的避震結構設計，便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂，」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題，透過同步光源高解析度檢測技術，可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異，提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法，而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物，未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅：你所不知道的同步輻射》，2021 年 8 月，天下文化。

大家都知道，光線是否充足對拍照品質有決定性影響，戶外拍照比起昏暗的室內容易拍到漂亮的相片；然而，光的亮度，對科學實驗也非常重要。

同步輻射是當今世上最亮的光，它的光通量及光亮度都遠優於傳統光源。

正因如此，過去科學家因實驗光源亮度不夠而無法探測的結構，現在藉由同步輻射都能分析得一清二楚，而原本使用傳統 X 光機可能需要幾個月才能完成的實驗，如今則僅需要幾分鐘就能取得漂亮的實驗數據。

簡言之，同步輻射是在固定軌道上運行的高速電子因磁場作用而偏轉的過程中，所輻射出來的電磁波。相較於其他光源，利用偏轉磁鐵產生的同步輻射，能譜範圍更寬廣，而且擁有高亮度、高穩定度、高準直度、光束截面積小、波長連續、具有時間脈波性與偏振選擇性等特色，輻射強度和功率都可由電磁學的理論計算預測，大幅提高實驗效率和準確度。

同步加速器光源（簡稱同步光源）是指為了產生供科學實驗的同步輻射所建的設施。一般而言，同步光源會採用兩座同步加速器來產生高品質的同步輻射。第一座加速器把電子加速到接近光速，稱為「增能環」；達到特定能量的電子送進第二座加速器後，不再額外加速，僅維持電子的能量，相當於把這些電子「儲存」起來，累積到足夠的電流量，再利用所產生的光做實驗，因此稱為「儲存環」。

這段過程，電子束在每一圈的運行中，都會在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游放出同步輻射，而儲存環中的超高真空環境，讓帶電粒子束不易被其他分子散射，並且有精準的回饋系統，因此光源穩定，容易控制實驗條件，且可聚焦在很小的實驗樣本上，成為科學研究的利器。

在二十一世紀的現代，同步光源的重要已毋庸置疑，然而它並非一開始就受到科學家青睞，甚至還曾遭到嫌棄。

從附屬品到建置專用設施

從五○年代至今，同步光源的角色，歷經幾個不同世代的演進。

第一代的同步光源，是與高能物理研究的同步加速器共用，但兩者的研究需求並不相同，甚至背道而馳。

產生同步輻射的過程會損失能量，但在高能物理研究中，並不希望粒子碰撞前產生非必要的能量損失，否則電子束的軌道與功率都會因而改變，所以當時的科學家其實十分討厭「成事不足、敗事有餘」的同步輻射。

不過，在隨後的十年裡，一些科學家逐漸發現，高能物理實驗不用的電磁波其實可以當成頗有價值的光源，運用於光學及探測、生物醫學、材料科學、地球科學、環境科學等基礎和應用研究，從此改變了同步輻射「寄生」在高能物理實驗之下的命運。

到了七○年代，科學家逐漸體認到同步輻射有其優異性，開始想要開發專用的光源設施，獲得更亮、更聚焦的光束，於是先進國家紛紛開始興建專門為產生同步輻射的第二代同步加速器。

第二代同步光源將增能環與儲存環分開，出光品質較佳，使同步輻射的應用更廣泛、更多樣化；隨著帶電粒子的速度愈接近光速，輻射就愈集中，發出的電磁波涵蓋整個電磁波頻譜，從紅外光、可見光、紫外光、低能量的軟 X 光到高能量的硬 X 光及伽瑪射線。

八○年代之後，科學家開始意識到儲存環的長直段更重要，可以加入插件磁鐵，讓電子由偏轉一次變成多次偏轉，並且壓低束散度，產生更強、更亮的光束，這就是第三代同步光源。

近代科研最具影響力的光源

半個多世紀過去，目前全世界供實驗用的同步光源設施已經超過七十座，其中第三代加速器多於 1990 年後陸續建造完成，各國在同步光源設施的建造能力及研究成果，也成為國家高科技研發實力的重要指標之一。

到了 2015 年，同步光源的發展達到物理極限，進入第四階段，成為採用多重轉彎磁格 2 的同步加速器，可以將電子束的束散度減少百倍，直到觸及繞射物理極限。

束散度減少百倍，意謂光點更集中，光亮度可以提高百倍，從事奈米級光點研究；同時，光的準直性與同調性也大幅提高，可以發展許多新的科學實驗技術。

同步輻射插件磁鐵運作示意

受惠於同步光源的快速發展，研究人員得以擴展許多新的研究領域，包括：材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等最尖端的基礎與應用科學研究，所獲得的成果對人類科技創新與生活便利帶來諸多貢獻。

隨著愈來愈多科學家使用同步輻射獲頒科學界最高榮耀的諾貝爾獎，有人稱它為現代的「科學神燈」，也是二十世紀以來科技研究最重要的光源之一。

同步光源主要設備介紹

1. 注射器（包括電子槍、直線加速器與增能環）

電子束由電子槍產生後，經過直線加速器加速至能量為 1 億 5 千萬電子伏特，電子束進入周長為 496.8 公尺的增能環後，繼續增加能量至 30 億電子伏特，速度非常接近光速（0.999999986 倍）。

2. 儲存環

電子束從注射器經由傳輸線進入二十四邊形設計、周長為 518.4 公尺的儲存環後，環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上，如此一來，電子束便能於每一圈的運行中，在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游產生光束。由於電子會因產生光而損失能量，因此環內裝置超導高頻共振腔系統，用來補充電子的能量。

3. 光束線

光束線是同步加速器與實驗站之間的一座橋梁。理論上，在每一處電子偏轉處或插件磁鐵的直線下游，都可以打開一個窗口，利用光束線將同步輻射引導出來，進入實驗站。

4. 實驗站

科學家依據實驗需求設計各種儀器，使用同步輻射進行各類科學研究。

——本文摘自《追光之旅：你所不知道的同步輻射》，2021 年 8 月，天下文化。

Original publish date:Jul 11, 2004

編輯 NanoForensics 報導

同步輻射（synchrotron radiation）的一般應用是在醫學、生命科學、凝態物理、環保、生命科學、材料及冶金科學、及微機械技術研發等，此外可分析射擊殘跡（gunshot residue, GSR）來協助槍擊案調查。

日本警方近日藉由同步輻射的分析結果，逮捕了三名因涉嫌在１９９５年暗殺當時的警察廳長官國松孝次（Takaji Kunimatsu）的前奧姆真理教﹙現改名為阿萊夫教﹚的信徒。該名官員所幸最後逃過一劫。

１９９５年３月２０日，奧姆真理教在東京發動了造成１２人死亡，５５００多人受傷，１４人終身殘疾之駭人聽聞的地鐵沙林毒氣恐怖攻擊。時任日本警察廳長官的國松孝次正是對奧姆真理教調查的主要負責人。

能逮捕涉案嫌犯的關鍵證據是因為射擊國松孝次槍枝之射擊殘跡的金屬雜質與其中一名嫌犯衣服上採集到的殘跡相吻合。常見的殘餘金屬雜質為鉛（Pb）、鋇（Ba）、及銻（Sb）。這項結論是由可偵測約兆分之一克金屬（part per trillion, ppt）的同步輻射分析所獲得。為了避免報復行動，日本警方拒絕透露分析人員的身份。

同步輻射（synchrotron radiation）：近光速行進的帶電粒子，受到磁場作用而偏轉時，會沿著行進的切線方向發出輻射，即稱之。這種輻射脈波的強度與偏振程度很高，而且為連續光譜。此連續波段電磁波（一般而言所有的電磁波都可稱為光），涵蓋紅外線、可見光、紫外線及X 光，因此可應用於各領域需求。此分析所使用的日本高輝度光科學研究所的SPring-8是現今全球能量最高的同步輻射光源，高達80億電子伏特，可以產生硬Ｘ射線光束（台灣擁有的第三代同步輻射為13億電子伏特，但台灣在Spring-8有專屬光束線）。

金屬雜質為特異性較高的射擊殘跡，對嫌犯以及槍枝的連結，頗有助益。常用的GSR 分析有：極譜分析（Polarography）、X光螢光分析（X-ray Fluorescence）、原子吸收光譜分析（Atomic Absorption Spectroscopy）、中子活化光譜分析（Neutron Activation Analysis, NAA）、誘導式耦合電漿原子放射光譜分析（Induced Couple Plasma-Atomic Emission Spectroscopy, ICP-AES）、放射光譜分析（Photoluminescence）、掃瞄式電子顯微鏡X光能譜分析（Scanning Electron Micriscope-Energy Disversive X-rays. SEM-EDX）以及X光繞射分析（X-rays Diffraction）。

目前只有美國能源部在伊利諾州（ Illinois）阿爾貢國家實驗室的先進光子源（US Advanced Photon Source at Argonne National Laboratory）以及在法國格勒諾布爾（Grenoble）的歐洲同步輻射裝置（European Synchrotron Radiation Facility,ESRF），能夠偵測到如此微量的金屬雜質。

同步輻射屬於非破壞性分析（non-destructive analysis）因此對於寶貴的刑案證物分析上，更具有保存證物的極大優點，可更廣泛應用於各種微物跡證分析。例如協助頗受國人關切的319槍擊案的調查。

參考來源：

• X-ray evidence points to Japanese cult

相關連結：

• 財 團 法 人 國 家 同 步 輻 射 研 究 中 心
• World Trade Centre forensics break new ground
• SPring 8
• 中華民國鑑識科學學會（Taiwan Academy of Forensic Science）
• American Academy of Forensic Science

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