冬季奧運的幕後功臣－人造雪

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 / K（物理碩士）

緣起

高中曾去安寧病房照顧癌末病童，當時裡面的一個孩子對我說：「哥哥，我沒有看過雪，你能不能變出雪給我玩」因為我便去尋找、思考如何製作人造雪。

後來於日本的書籍發現了或許可以使用高分子吸水物（聚丙烯酸鈉）來製作，也是這時候發現原來可以拿來堆雪人，製作雪人出來時，的確讓孩子很開心。

當孩子向我道謝時，我心裡想著：「其實，我能做的也只有這樣而已了……」

所需材料

1. 尿布或衛生棉的內容物（高分子吸水物，請別誤食），也可至化工行購買聚丙烯酸鈉（俗稱的吸水粉）。
2. 冰水（只是為了讓產物觸摸溫度更像真正的雪，也可使用室溫的水取代）
3. 塑膠盆之類的盛裝容器
4. 手扒雞手套（防止高分子吸水物沾黏於手上，若是想體驗人造雪的觸感，則可不必使用）
5. 竹籤、串珠等裝飾用物品以及老虎鉗（剪裁竹籤用）

製作流程

1. 一開始將尿布或衛生棉內容物放在杯子（請盡量撕碎內容物，方便之後製作）

2. 然後加入冰水後,會產生神奇的變化 （如下圖，為了讓圖片更清楚，所以放置到黑色杯子中）

*這裡有個關鍵點：

如果是使用市售的尿布或衛生棉製作，再加水之後，必須盡量清除內含的棉絮成分，只保留其中的高分子吸水物

拿起來會像如此的凝膠物質（高分子吸水物）

3. 之後再把人造雪從杯中倒出，會呈現像筒仔米糕的樣子（如下圖），這樣比較好塑型

4.將他塑形，先捏出大小兩顆圓球，作為雪人身體與頭部 （請穿戴手扒雞手套）

5.最後以竹籤、串珠等物品裝飾雪人，即大功告成

製作完後，把手扒雞手套取下翻面，手套外沾到的人造雪便會被包在手套中，手上便不會沾黏到人造雪

原理

在尿布或衛生棉中的高分子吸水物通常是吸水力超強的聚丙烯酸鈉（可以吸收質量比200到300倍的水分），乾燥時是白色粉末，放進水中會像海綿般吸水，成為凝膠聚合物。

主要是因為結構中的鈉含量很高，使水分子經由滲透作用進入聚合物中。反過來若把鹽灑在凝膠上，使聚合物外部的鈉濃度更高，就可以逆轉，讓水從凝膠流出。

P.S.一開始製作雪人時，也曾仿效「撒鹽空中差可擬，未若柳絮因風起」，結果差強人意ＸＤ

下落速度超快的撒鹽空中差可擬XDD

後來想到曾聽過羅馬帝國的皇帝尼祿命令人從高山上取雪，加上水果和牛奶，製作成原始的冰淇淋，所以我開始嘗試製作無糖的冰淇淋來模仿雪的外觀與觸感（即使沒加糖，但因為有牛奶的成分，所以在塑型時手會黏黏的……）。

失敗了幾次以後，我開始分析古人說的撒鹽、柳絮還有我做的冰淇淋，到底是想表現雪的何種性質？撒鹽、柳絮應該是想表現雪的外觀、飄落，而冰淇淋是想模仿外觀、觸感，綜合以上的想法，如果要做出人造雪，必須做到外觀（白色）、觸感（柔軟、可塑、冰涼）。

在查詢資料跟實驗的過程中發現高吸水樹脂吸水後會呈現顆粒狀，一粒粒的小樹脂加冰水膨脹，塑型後的質地和觸感摸起來很接近真實的雪，因為雪本身便是由小小的冰顆粒物構成。

而最近也使用手機顯微鏡來觀察聚丙烯醯銨（人造雪人原料聚丙烯酸鈉的近親）觀察吸水前後的狀態，同樣放大倍率下，吸水後體積增加不少，也意外地發現微觀世界下的聚丙烯醯銨，竟是如此的美!!!

吸水實況影片

後來有位讀者剛好看到了這篇文章，他也正好是醫院志工，並將這雪人分享給在病房中的孩子們，而雪天使也就這樣傳遞了出去。

生活應用

嬰兒紙尿布、女性衛生用品、膨脹玩具（恐龍蛋）、水晶寶寶、魔晶土、人造雪……等，都含有這類成分。

P.S. 筆者於製作時發現，一些較便宜的衛生棉中，聚丙烯酸鈉的含量頗少（幾乎都是棉絮），吸水性不佳，且不利於製作人造雪人。還記得當時為了找雪人的材料，買了個品牌的衛生棉來嘗試，結帳時被店員跟顧客被奇怪的眼光注視著… 不過為了病童的願望，只能豁出去了 XD

作者：K，物理碩士。相信著 “以人化物” 器物再美，缺乏人的溫度，終將不完美 而若多一分人性的溫暖，便能包容原先器物的小缺陷 這是設計科學小物的初衷 希望這些東西能充滿著溫暖，無論是手心的亦或是內心的。