利用雷射冷卻技術來冷卻硬幣般大小的物體

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

在極低的溫度下，物質會開始出現奇特而神祕的性質。

低溫學是研究極低溫度的一門科學。這個領域的研究目標是了解如何產生與維持絕對溫度123度或是攝氏-150度以下的低溫，同時研究在這種低溫環境下，各種物理、化學及生物作用會產生什麼變化。

分子的隨機運動會產生熱，而溫度只要下降，分子運動就會開始變慢。但根據熱力學定律，這種情況並不會永遠持續下去，一旦到達某個極限，分子就會完全停止熱運動；這個極限被稱為絕對零度或0K（相當於攝氏-273.15度），也就是可能達到的最冷溫度。

當物質的溫度接近絕對零度時，其性質會大幅改變，例如氮氣與氧氣等永久氣體達到絕對溫度數十度時會變成液體，可作為太空船燃料，或用於快速冷卻食物以供保存，甚至能應用在外科手術，移除受損細胞；鈮合金（niobium alloy）降至接近絕對零度時，會完全失去電阻而成為超導體，能用來製造強大的電磁鐵，將次原子粒子（subatomic particle）加速到接近光速。而當溫度降至絕對溫度2.19度，甚至是更低時，液態氦會失去黏度而變成超流體（superfluid），超流體的特性非常神奇，能夠沿著玻璃燒杯往上流。

讓我們一同探索低溫學的奧祕，深入瞭解這個正將科學極限推向另一個境界的學問。

用低溫電子學為歐洲核子研究組織保冷

通過導體的電流會受阻於物質的電阻，但是當某些金屬的溫度下降時，其電阻也會跟著降低。在某些情況下，導體處於超低溫時，其電阻會突然降至零，因而變成超導體。

歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）之中導引粒子束運行的主要電磁鐵被液態氦冷卻至絕對溫度1.9度（相當於攝氏-271.3度），這比在外太空還冷，因此電阻會完全消失，以防止能量轉為熱能逸失。

冰凍死人

低溫學vs人體冷凍技術

談到低溫學（cryogenics），許多人腦中浮現的第一個畫面是屍體被保存在冷凍櫃，期待有朝一日能復活。科幻片讓這種想法大為風行，而且美國已有專門機構負責進行這種服務，但冷凍屍體的技術目前仍非常缺乏科學根據。

科學家很謹慎地將低溫學與冷凍屍體的過程──也就是所謂的人體冷凍技術（cryonics）──加以區隔；在準備接受人體冷凍技術的病人死亡後，他的血液將被一些化學混合液取代，目的是在冷凍過程中保護脆弱的細胞。

完成以上的程序後，會用液態氮冷凍人體，並將人體放入儲存槽內。負責進行人體冷凍的公司不須經過科學或醫學認證，冷凍過程中的某些工作甚至可能由志工進行。

冰凍人體確實是個令人振奮的構想，但目前還沒有證據顯示這種人體冷凍技術能夠奏效。

提供火箭燃料

低溫學的主要應用範圍之一是太空旅行；第一部使用低溫燃料推動的火箭是美國航太總署（NASA）的半人馬座火箭（Centaur）的末段引擎，於1963年成功發射。

最常用的成對低溫燃料是液態氫（LH2），而液態氧（LO2 或LOX）則用來助燃。氫氣是很輕的氣體，在氧氣中能完全燃燒，將這兩種氣體冷卻至極低溫後，可將更多燃料擠入燃料槽。

燃料槽在太空飛行期間會曝露在不同的熱源之下，像是引擎廢氣、太空船摩擦大氣層產生的熱，還有來自太陽的熱。為了讓燃料保持液態，燃料槽不但要有良好的絕熱能力，同時也要能忍受內部液體燃料的極端低溫。

一般而言，這些燃料都裝載於重金屬槽，不過NASA與波音公司都致力於發展革命性的綜合材質燃料槽，將比標準低溫槽輕30%。未來這些燃料槽將能攜帶更多燃料，使太空船能飛到太空中更遠的地方。

讓金屬更堅韌

當金屬從液態冷卻成為固態時，會形成晶體結構，個別原子也會排列成有規律的晶格，但這種方式通常會產生缺陷。傳統上會用熱處理來補救，也就是讓金屬再變回液體，以減低壓力、填補空隙，但這種工序並不夠完全。只要運用低溫學，熱處理鋼無法補救的缺陷與應力都能被去除。

熱處理之後，金屬被緩慢冷卻至接近絕對零度；這個工序允許結構內部的特定成分移動，以填補微觀缺陷，使結構更為均勻。這種方式能減低應力，產生更緊密、更具韌性的金屬。經過冷處理的金屬能用來製造高爾夫球桿與棒球棒；金屬的結構越緊密，振動越小，也就會傳遞越多能量給球。

治療運動傷害

並非所有低溫冷凍技術都已發展成熟，如同體育界最近才興起所謂的「全身性低溫療法」（whole-body cryotherapy）。過去是用冰敷或浸泡冷水來治療運動傷害，而這種新療法則是透過讓患者在低溫室裡冷卻全身，以減輕運動傷害、肌肉與關節疼痛或是關節炎等症狀；這種療法奠基於日本在1970年代的一項研究。和水相較之下，空氣的導熱能力較差，因此與傳統泡冷水的方法比起來，待在低溫室時，身體的核心溫度受到影響的機率較低。

患者在進入以氮氣冷卻的房間後，會曝露在低於攝氏-100度的環境下約三分鐘。患者的四肢有衣服、手套、襪子、面罩和內衣覆蓋，但其他部位的皮膚就會曝露在極低溫之下。此時身體的自然反應是切斷對皮膚的血液供應，並將血液導向核心部位，讓熱量的流失降至最低，並維持適當的體溫。這種療法的副作用是讓大腦釋出稱為腦內啡的天然止痛劑，使人忘卻疼痛、感到愉快。

治療關節炎

冷療（Cryotherapy）的研究是為了治療關節炎之類的病症。曝露在低溫下可減緩神經傳導，透過降低肌梭的反應，將有助於減低肌肉痙攣；這種現象在生活中能輕易驗證，只要試想當你從天寒地凍的戶外進入室內後，嘗試用凍僵的手指解開你的上衣鈕扣。

寒冷的溫度也被認為能降低發炎關節裡具破壞性的酵素的活性，這種酵素叫做膠原酶，膠原酶會破壞骨頭上具保護功能的膠原蛋白軟骨。

針對許多關節功能失調病患的研究顯示，冷療能暫時降低患者的疼痛感，並維持大約90分鐘，讓病患有空檔在這段時間內進行物理療法或是其他介入療法，否則患者在治療過程中可能會感到非常不舒服。由此可知，即使冷療不具有長期療效，但是在與其他療法結合之後，仍然有顯著的醫療效益。

冷療手術

極低溫帶來的破壞作用已被應用於醫學治療；液態氮的極低溫度現今普遍用在消除疣或癌細胞等異常細胞。

這種療法的進行方式會根據不同狀況而有些微差異，可能會利用棉花棒、噴槍，或是名為冷凍探頭（cryoprobe）的中空管將液態氮直接噴灑於身體受感染的部位。

冷療手術會迅速將受傷的組織冷凍，並消滅掉異常細胞。這種療法比藥物治療更為精確，可能傷及的周圍組織和疼痛感也會比外科手術更小。

超低溫保存法

在極低溫之下，生物程序會近乎停止；缺乏熱能導致酵素活性趨緩，活細胞幾乎能被無限期保存。

不過，活細胞的超低溫保存準備工作絕非易事。細胞的微觀結構相當脆弱，因此可能在低溫時被內部膨脹的水分脹破、變成碎片；當水形成冰後，溶解出的離子、鹽分和其他分子也會濃縮，擾亂細胞內原本的化學平衡。

低溫保護劑（cryoprotectant）這種化學物會被用來保護細胞，以避免上述的情況發生；其中的甘油、二甲基亞碸（dimethyl sulfoxide，簡稱DMSO）或糖會被用來取代水分，阻止冰晶形成，或改變其形狀與大小。接著會用液態氮迅速冷卻細胞，使其越過所謂的玻璃轉化溫度（glass transition temperature），之後水分就會凍結成一種像玻璃而不像冰的固體，然後這些細胞就能安全地貯存在低溫的液態氮蒸汽裡。

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期（2015年12月號）

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大家都知道太空中溫度很低。在恆星和星系彼此間的廣袤空間，氣體物質的溫度僅有絕對溫度3K，相當於攝氏零下270度左右。不過，美國航太總署（NASA）科學家現在想要在國際太空站（International Space Station，ISS）中打造一間實驗室，溫度將比3K還低。

NASA下所屬的噴射推進實驗室（JPL）低溫原子實驗室（Cold Atom Lab，CAL）計畫主持人Rob Thompson表示：這個計畫將研究遠低於自然界溫度的物質，目標是絕對溫度100塵度（pico-Kelvin，註：pico，塵，兆分之一）。目前這個原子冷凍庫預定將在2016年發射並裝置在ISS中。如果建置成功，這將是已知宇宙中最冷的地方。

100塵度相當於絕對零度（0K）之上約100億分之1度，在此溫度下，理論上所有原子的熱活動都會停止，一般常說的固態、液態、氣態也不再有意義，反倒使原子彼此間的交互作用創造了一種新的量子物質型態。

量子力學是物理學的分支之一，應用於原子尺度的光和物質。在量子領域中，物質可以幾乎同時出現在兩個地方，物體行為可以是粒子也可以是波動，沒有任何事物是確定無疑的，量子世界依靠的是機率。簡單來說，量子世界和你我熟知的世界大不相同，這也是為何Thompson等人要打造低溫原子實驗室的原因。他們要研究的目標，是所謂的「玻色–愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensates，BEC）」。

1995年時，研究學者發現在銣原子氣體冷卻到接近絕對零度時，會凝聚成一種單一物質波；鈉原子氣體也有同樣的情形，由於當初在1920年代，玻色（atyendra Bose）和愛因斯坦（Albert Einstein）曾就此提出過預言，因此這個新發現被稱為玻色–愛因斯坦凝聚。2001年時，美國麻省理工學院（MIT）Wolfgang Ketterle、美國國家標準技術研究所（National Institute of Standards & Technology）Eric Cornell和科羅拉多大學（University of Colorado）Carl Wieman因為個別獨立發現這樣的現象而獲得諾貝爾物理獎。

有趣的是，如果製造出兩種BEC並將之放在一起，它們並不會像普通氣體一樣混和，反而會像波動一樣產生干涉現象，因而出現薄而平行的物質層，而層與層之間是則是空無一物的空間。在一個BEC中的原子，與另一個BEC中的原子相加後的結果，居然是….半個原子都沒有！低溫原子實驗室就在幫助科學家瞭解這些這些物體在可能是最低溫狀態的行為。

科學家可在低溫原子實驗室混合超低溫氣體，藉機觀察會發生何事。將不同種類的原子予以混合後，它們會幾乎毫無干擾的懸浮在一起，這讓科學家得以對它們之間極其微弱的交互作用進行更靈敏而精密的測量，或許可藉機發現有趣而新奇的量子現象。

在太空中繞地球公轉的國際太空站由於受到的地球重力不大，在此能將物質降溫到很冷的程度，遠比在地球表面可製造的最低溫還低得多。這是因為根據熱力學原理，當氣體膨脹時會冷卻；這種現象相當常見，例如當按壓噴霧罐讓氣體噴出時，便可感覺到噴霧罐的罐身變冷了。量子氣體冷卻的方式和噴霧罐幾乎相同，只不過是將噴霧罐換成所謂的「磁阱（magnetic trap）」。在國際太空站中，因重力微弱，原子不需要對抗重力的拉扯，使得磁阱也可弄得非常微弱，而微弱的磁阱則讓氣體膨脹而冷卻的程度比地面更甚，從而能製造一個超低溫環境。

不過，低溫原子實驗室建置完成後，科學家們也不確定底會通過這個實驗室而發現什麼，即使湯普森列出了一堆諸如量子感應器（quantum sensors）、物質波干涉儀（matter wave interferometer）、原子雷射（atomic laser）等等可「實際應用」的清單，不過聽起來還是很像科幻小說的情節。所以，事實上，這個低溫原子實驗室將引領科學界進入一個未知的領域。

科學家們期望低溫原子實驗室能成為通往量子世界的敲門磚。如果溫度夠低，或許科學家們可研究聚集成約人髮寬度的原子波，以人眼可以觀察到這些物質波，如此一來，將量子世界提升至巨觀世界後，或許能更容易發現量子世界的秘密。

資料來源：The Coldest Spot in the Known Universe. NASA Science [January 30, 2014]

轉載自網路天文館