字母濃湯

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／楊海彥（小波）

在上一集，我們回顧了臺灣的鬼火傳說，並歸納出鬼火的幾個特點，分別是：(1)通常在夜裡出沒，(2)在墓地、河畔或是海濱都可能見到，(3)顏色以淡藍色為主，但也有橘紅色的伯公火，(4)火焰的數量可能是一至多個，且(5)有會跟著人跑的紀錄。

可是這樣一來，「屍體骨頭中的磷因高溫自燃產生鬼火」這個說法，似乎就有些站不住腳了。

磷火的幾個疑點

磷質佔人體體重的 1%，一個大約 70 公斤的成年男子，體內大約會有 700 公克左右的磷。其中又以無機鹽類狀態與鈣結合者最多，佔 85%，形成骨骼，牙齒中不溶性的磷灰石。¹

一個人能提供 700 公克左右的磷作為鬼火的燃料，這樣的量看來並不少。而磷源自屍體中的骨頭和牙齒，也足以解釋鬼火為何通常在墓地出現，河畔與海濱也可以視為富含水生動物的骸骨。再加上磷的自燃溫度大約攝氏 34 度，越潮濕自燃溫度越低，只要夏天氣溫夠高就可能引發自燃。

磷似乎完美解釋了鬼火如何產生，只是有個問題：磷燃燒的火焰不是淡藍色。

這是國外 Youtuber 拍攝的白磷燃燒的影片。影片中可以看見，白磷燃燒的反應相當激烈，焰色是橘黃色，並伴隨產生大量的濃煙（這也是為什麼白磷是煙霧彈的主要成分），這與目擊描述中幽幽飄盪的淡藍色鬼火一點也不相像。更重要的是，磷並不以純物質的狀態存在於自然界中，因此形成鬼火的不可能是純磷。

另一個自燃的可能人選是磷化氫（PH₃）。這是一種無色、可燃、劇毒的氣體，是屍體分解後的產物之一。一般來說磷化氫沒有味道，但伴隨產生的聯膦（P₂H₂）具有魚腥或大蒜的臭味，兩者混合時，在空氣中極度容易自燃。

即便如此，磷化氫與聯膦的燃燒一樣既快速又猛烈，與鬼火相去甚遠：

這樣一來，鬼火到底是如何形成的？

鬼火到底是什麼？從古至今都有人在研究

中國早在南宋時期，就有人提出磷與鬼火之間的關係。陸遊《老學庵筆記˙卷四》中提到：「予年十餘歲時，見郊野間鬼火至多，麥苗稻穗之杪往往出火，色正青，俄復不見。蓋是時去兵亂未久，所謂人血為磷者，信不妄也。今則絕不復見，見者輒以為怪矣。」到了清代，紀曉嵐的《閱微草堂筆記˙第九卷》更直接寫道：「磷為鬼火。」

日治時期的臺灣，正處於日本明治維新後，破除迷信、科學至上的氛圍中，當時漢文臺灣日日新報上也出現了一篇〈捉燐辯惑〉，故事大概是這樣：作者在學校看見鬼火，日人校長便讓眾人一起抓鬼火，沒多久校長抓到了，眾人一看卻只是一片枯葉。正疑惑這怎麼會是鬼火，校長便要大家進到屋內，不一會，枯葉刷地一聲燃燒起來，就像有人摩擦燐石一樣，眾人非常詫異。校長於是趁機教育眾人，鬼火就是燐火，是磷素和水素和合而成。²

值得一提的是，即使早自宋朝，乃至清朝、日治時期，就已經有人知道鬼火與磷之間的關係，那也是少數知識分子的事，民間對於鬼火的忌諱並沒有減少多少，否則也不會有那麼多鬼火傳說了。

東方是如此，那西方又是如何呢？

西方解釋鬼火的思路：天然氣？

與東方認為鬼火與磷有關的思路不同，西方人最開始認為鬼火與天然氣有關。

西元 1596 年，一名叫 Ludwig Lavater 的神學家，在其著作《Of Ghostes and Spirites, Walking by Night: And of Straunge Noyses, Crackes, and Sundrie forewarnings, which commonly happen before the death of men: Great Slaughters, and alterations of Kingdomes》（對，書名就是這麼長），書中〈That many naturall things are taken to be ghoasts〉的章節中，便認為鬼火是由富含硫磺的礦脈燃燒導致。^{3, 4}

到了 1776 年，亞歷山德羅˙伏打在讀完一篇由班傑明‧富蘭克林所著，關於「可燃空氣」的論文後研究並發現甲烷。在研究甲烷期間，他提出可能由於自然界中的電，比如閃電，與沼氣中的甲烷反應，才導致鬼火的產生。這個論點被當時的學界廣泛接受。（值得一提的是，亞歷山德羅‧伏打後來發明了世界第一個電池，並且成為今天電勢的單位，伏特。）

目前為止都只是紙上談兵，要一直到1832年，Louis Blesson才算真正開始對自然界產生的鬼火進行研究。

他到世界各地發生鬼火的地方進行實驗，發覺不同地區的鬼火，焰色與溫度也會不同。此外當他第一次接觸鬼火，便意外發現鬼火會在他接近時後退，並且非常容易被他的呼吸吹動；他必須撇過頭、站定一會，鬼火才回到原位。不只如此，沼氣引發的鬼火在夜晚離地面比較高，越接近黎明就越低，最後消失無蹤³。這兩者很好地解釋了鬼火為何會移動，以及為何只有在夜晚才看得到鬼火。

與鬼火性質最接近的答案：冷焰

1980 年，英國的地理學家 Alan A. Mills，第一次嘗試在實驗室裡複製鬼火。

他混合了油狀的磷化氫與天然氣，成功產生了綠色的火光，然而大量刺鼻煙霧也伴隨產生，與自然界中看到的鬼火實在相差甚遠。但他持續進行研究，直到 2000 年時，重新提出鬼火可能是一種「冷焰」。⁴

所謂的冷焰是一種最高溫度低於攝氏 400 度的火焰，通常必須以特定的比例混合燃料與空氣才會產生。與一般火焰不同之處在於，冷焰的燃燒反應並不激烈，且只會釋放些許的光、熱和二氧化碳，這是因為一般的燃燒會將化合物完全分解與氧氣結合，但冷焰的燃燒互相反應的幾乎都是部份分解的化合物自身。冷焰在日常生活中不常見，但卻是引擎發生爆震的主要原因。⁵

冷焰不僅溫度低、燃燒不劇烈，導致必須在非常暗的地方才可看見，焰色光譜大多落在藍色與紫色之間，更重要的是，天然氣也符合產生冷焰的條件！屍體分解後不僅會產生磷化氫，更會產生大量甲烷，雖然沼氣與天然氣不盡相同，但成分接近的沼氣產生冷焰，是有可能的。

有興趣的話，上面影片就是在實驗室中製造了冷焰。

世界上的鬼火目擊事件眾多，我們無法確認每一起鬼火事件引發的真正原因。不過若是以臺灣來看，根據上一集蒐集的傳說，冷焰已經很好地解釋大部分鬼火的特性。

總結來說，整個鬼火產生的故事應該是這樣的：墳場或河畔、海濱的屍體腐壞，產生磷化氫、聯膦和甲烷，因為種種原因，這些氣體逸散出來，甲烷與空氣恰好混合成能夠形成冷焰的比例，磷化氫和聯膦再自燃形成火源，便能產生淡藍色的、幽幽飄盪的鬼火。若是混合的比例不對，單純燃燒甲烷，那便會成為橘紅色的伯公火。

除了冷焰之外，還有其它的解釋

除了冷焰之外，科學家也提出其它鬼火的可能成因。2008 年，義大利的化學家 Luigi Garlaschelli和Paolo Boschetti 提出了「化學發光」的假說；他們將磷化氫與空氣和氮氣混合，製造出一種黯淡的綠色冷光，雖然伴隨著煙霧和臭味，但根據他們的說法，只要調整環境中的溫度、溼度等條件，煙霧和異味都可以消除，而且人眼在黑暗中難以辨別顏色，把綠色看成淡藍色是有可能的。⁶

此外，還有地質學家提出因地殼變動的「壓電效應」產生的「地電」，以及森林中的生物──比如某些蜜環菌屬的菇類、微生物、昆蟲──所發出的「生物螢光」兩種假說，不過礙於篇幅便不多作介紹。

近代，鬼火的目擊事件越來越少，這不僅是在臺灣，全世界都是一樣。除了因為火葬逐漸取代了土葬，也是因為沼澤與森林被大肆開發，就像失去棲地的動物，鬼火也失去了生成的源頭。過往的神祕傳說，在文明與科技的發展中逐漸消失，彷彿是某種詩意又悲劇的比喻，卻是實在發生的過程。

過去我們常說的「鬼火即磷火」看似科學，實際上卻是過度簡化的解釋，偏偏我們大多數人對此深信不疑。部份的人認為傳統迷信又落後，擁有科學至上的想像，但若是對事物的成因不求甚解，科學和迷信又有什麼不同呢？

資料來源

1. 維基百科-磷質
2. 〈捉燐辯惑〉。1907年7月6日，漢文臺灣日日新報。
3. 《Of Ghostes and Spirites, Walking by Night: And of Straunge Noyses, Crackes, and Sundrie forewarnings, which commonly happen before the death of men: Great Slaughters, and alterations of Kingdomes》，〈That many naturall things are taken to be ghoasts〉
4. Wikipedia-Will-o’-the-wisp
5. Wikipedia-Cool flame
6. Wikipedia- Chemiluminescence

【作者簡介】楊海彥／小波
轉換多次跑道，最終決定與朋友們一起開妖怪工作室。目前專注於台灣怪談研究，擅長將台灣文史和民俗轉化為故事，也設計實境遊戲和桌遊。嗜讀奇幻文學，熱愛電影，喜歡咖啡也喜歡茶，養一隻以拿鐵為名的貓。

有時經過河邊或是水溝，仔細靜下來，就能聽見一陣一陣的蛙鳴聲。可是，你知道有些青蛙，是無法用蛙鳴進行溝通的嗎？

通體橘黃，南瓜一樣的小青蛙

世界上的蛙類百百種，有不斷想要侵略藍星的、也有每天都一直跑出門旅行的，不過，我們今天的主角是——鞍背短頭蟾 (Brachycephalus ephippium)。

鞍背短頭蟾分布在巴西東南部的山地沿海森林，是一種小型青蛙，具體一點來說，牠真的超級小，成體只有 12.5 到 19.7 毫米，跟我們的手指甲差不多大而已。

而牠的俗名則是「Pumpkin toadlets」（直翻就是南瓜蟾蜍），顧名思義，牠的體色跟南瓜一樣，全身都是橘黃的喔！而且虹膜也是黑色的，看起來就像裝了一對假的圓滾滾黑色大眼睛，很可愛的樣子。

大家都知道狐狸怎麼叫，那青蛙呢？

大部分的蛙類高度仰賴聲音來進行溝通，有些蛙類在不同的狀況下，還會發出不一樣的叫聲。比如說，當雄蛙或其他種蛙類嘗試找對象進行假交配，卻不小心抱錯蛙時，被抱錯的蛙會發出釋放叫聲 (Release call)，而當牠們被敵人抓住時，則會緊急發出求救叫聲 (Distress call)。順帶一提，去網路上搜尋「screaming frog」就能找到大量的青蛙求救叫聲影片合輯，一開始看覺得滿好笑的，不過後來知道那是求救叫聲後，就越看越難過了。

不過今天主要要說的是求偶叫聲 (mating call)。有些青蛙在求偶時會發出特定頻率的叫聲，且蛙類能聽到的聲音頻率範圍很窄，對同種類叫聲頻率特別敏感，尤其雌性常利用叫聲來確定雄性的位置，並選擇適當的交配對象。

那青蛙是怎麼聽到聲音的呢？鼓膜就像是蛙類的耳朵，而鼓膜內面連著耳柱骨 (columella)，耳柱骨是兩爬類與鳥類的聽小骨，能將聲音傳入內耳的感覺細胞，再刺激大腦產生聽覺。

聽不見彼此，蟾蜍的愛情也可以很安靜

令人震驚的是，根據一篇 2017 年的解剖結果顯示，鞍背短頭蟾和另一種同一屬的青蛙並沒有中耳骨可以將聲波傳進內耳。所以其實鞍背短頭蟾對同種之間的求偶叫聲非常不靈敏，甚至接近聽不見！

這就奇怪了，既然聽不見，那為甚麼南瓜蟾蜍還要白做工，繼續發出求偶叫聲呢？

聽不見彼此聲音的鞍背短頭蟾，只好轉而仰賴視覺來溝通了。因此，研究團隊推斷，發出求偶叫聲這個行為，之所以沒有隨著演化消失的原因，可能是由於發出叫聲時，蟾蜍的鳴囊也會跟著震動，異性就可以藉由看見鳴囊的震動來判斷「噢！原來牠正在求偶。」

另一方面，南瓜蟾蜍求偶的季節正是沿海森林的雨季！這下子，牠們真的只能聽見下雨的聲音，還用唇語（鳴囊語？）說愛情了呢XD

你可能會想，在一整座下雨的森林中，單單只靠鳴囊震動，是絕對不夠讓南瓜蟾蜍在茫茫落葉海中，找到彼此的身影的！許多科學家及生物學家在發現牠們聽不見彼此的求偶叫聲後，也是這樣想的：「究竟他們是靠甚麼來溝通的呢？」

直到研究團隊用紫外線照了鞍背短頭蟾，一切的謎終於被解開了：發光的骨頭。

深埋在骨頭裡的光芒

骨頭、發光……聽起來好像是有那麼一點，中二？

不過這可是大發現！研究團隊發現，鞍背短頭蟾的頭部、背部、關節處、手指和腳趾在紫外線的照射下，都發出了螢光！大部分生物發光的原因都是由於化學變化，不過，南瓜蟾蜍骨頭發光的原理可不一樣，是因為骨頭的分子能將光反射，且反射光的波長更長。

同時，鞍背短頭蟾的皮膚也非常非常薄，成體的皮膚厚度大約只有 7 微米而已！如此薄的皮膚，才能讓骨頭的螢光順利透出來。

至於另一種我們常常想到的「發光生物」──螢火蟲，牠們的發光原理，就是典型的化學反應喔！螢火蟲的發光原理和發光蕈類大同小異，泛科學也有介紹過喔！

發光的骨頭除了能求偶，還能做什麼啊？

關於鞍背短頭蟾的發光現象，還有一點很有趣，那就是年紀比較小的蛙發出來的螢光是偏藍色的，隨著年齡增長與皮膚增厚，螢光會漸漸變黃。研究團隊推斷，發出不同顏色螢光的原因，可能就是骨頭的膠原蛋白含量不同。（作者 OS：搞不好能透過螢光就能看出南瓜蟾蜍的年紀呢！）

另一方面，發光的骨頭不只有求偶作用。

對一些鞍背短頭蟾的掠食者（鳥類和蜘蛛）來說，紫外線都是可見光，意思就是南瓜蟾蜍平常骨頭的螢光，能對掠食者造成警示的效果喔！

原來，蛙兒們就算聽不見彼此的聲音，也能靠著發光找到對方，聽起來是不是有點浪漫呢？

參考資料

1. The National – Abu Dhabi researchers discover toad’s ability to glow in the dark

2. Amphibia Web – Brachycephalus ephippium

3. 維基百科 – Pumpkin toadlet

4. 楊懿如的青蛙學堂 – 鳴叫

5. Types of frog calls

6. 維基百科 – 耳柱骨

8. Scientific Reports – Evidence of auditory insensitivity to vocalization frequencies in two frogs
9. Science News – Tiny pumpkin toadlets have glowing bony plates on their backs