MIT以碳奈米管加強複合材料強度與導電性

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

靜電在生活上的應用

我們的抱負是替每種造成生活困難的現象平反，要幫忙找到它們會讓人好過的例子，告訴大家在哪些情況下，它們是有用（甚至更厲害）或有趣的。但是老實說，我懷疑在靜電荷上是否能做到，它好像到哪都會造成困擾。不過有時靜電荷其實也很有用，許多雷射印表機沒有它就無法工作，感謝雷射印表機讓我們不必用鉛筆寫 14 公里。

簡單來解釋一下雷射印表機的運作原理：印表機裡面有個用來列印紙張的感光鼓（Image Drum），這個鼓是帶電，會曝露在雷射光下，而它曝露的地方就會因此被放電，最後會回頭在要充電的區域著色。然後，感光鼓會轉到碳粉那裡，碳粉也帶了電荷，只會附著在仍要充電的區域。感光鼓現在有了我們想要列印的精確圖像，它被引導至紙上將碳粉卸下。

現在我們的文件已經列印好了。為了不被弄髒，之後會再用滾筒施壓加熱固定，也因此從雷射印表機出來的紙張會有點熱。我們辦公室的雷射印表機曾經在最後一個步驟故障了，還是會列印，只是要手工加固顏色。

除了列印，靜電對打掃也非常有用，但不是清潔家裡，是打掃大型工業廠房時可以派上用場。

我們會用靜電過濾器來過濾空氣中的灰塵或煙灰，現在大略解釋一下它的作業過程：帶電的電線會將電子噴到要清潔的氣體中，這些電子會在該處碰到灰塵並對其充電，帶電的塵粒就會衝向另一個正電荷的電極，並在那裡落下。然後，你就只要關掉靜電過濾器的電源，並輕輕敲一敲。

殘忍的直流電與交流電戰爭

就算靜電很煩，但至少不會對身體造成重大傷害，不像從插座裡出來的電，會變得非常危險。

你肯定從小就被警告：不要讓吹風機掉進浴缸、不要摸沒有絕緣包覆的電纜！不可以把叉子插進插座裡！不管怎麼說，這些警告都有道理。但原因到底是什麼？如果我們在乾燥空氣中走在地毯上會產生高達 2 萬伏特的電壓，而且也毫髮無傷，那從插座出來的 220 伏特電壓又算什麼呢？

吹風機泡在浴缸中不是件好事的最重要原因，是吹風機用的是交流電。你或許知道愛迪生（Thomas Edison）在 19 世紀末發明了燈泡，他希望燈泡能靠直流電運作，所謂的直流電就是電流在電路中朝一個方向流動，就像單行道一樣。

除此之外，愛迪生還希望用自己的直流電專利和只能計算交流電的電表賺愈多錢愈好。

然而，愛迪生有個最大的問題，就是直流電在長距離使用時，會損失大量的能量。他其實想利用這個問題，在不斷成長的電力市場上，從許多必要的發電站賺到額外的錢。不過隨著時間過去，他愈來愈輸給立場相對的交流電派的競爭對手。

身兼發明家和企業家雙重身分的喬治．西屋（George Westinghouse）與天才物理學家尼古拉．特斯拉（Nikola Tesla）合作，他們依賴交流電每秒會改變 50～60 次的特點。

交流電的優點：可以很容易升到高壓再降壓；可以傳輸幾百公里，損失的能量比直流電少。交流電的缺點：流經生物時，對其造成的危險比直流電大。儘管有這個缺點，威斯汀豪斯和特斯拉還是繼續更大範圍的銷售他們的專利。

愛迪生在大眾示威抗議下，透過電死動物發起一場可怕的反交流電運動，在悲傷的高峰時刻，他要員工替美國政府製造一把電椅，以展示交流電的致命性。但其實沒有用，交流電已經盛行起來了，因此可以替我們國家的所有電器設備（吹風機也包含在內）提供能量，無論是經過變壓器方便地使用或是直接利用。

到底是什麼讓交流電這麼危險？我們身體裡其實一直都有微小的電交換過程在不斷發生，例如用這種方式刺激心臟跳動。但每個心跳週期中，都有一個階段心臟對干擾會特別敏感，也就是所謂的「易損期」（Vulnerable Period）。

如果我們在這個期間受到電擊，就會發生危及性命的心室顫動（Ventricular Fibrillation）。

使用交流電時，電脈衝會以每秒 50 次的頻率雙向流動，電力突波會剛好在易損期擊中我們的風險，會比用直流電還要高很多。不過，如果突波剛好在剛好的時間以適合的強度出現，那麼心臟的這種敏感性當然就有用——這就是心律調節器每天拯救生命的方式。

人體的導電性比你想的還強

我們不應該讓吹風機掉進浴缸還有另一個原因，就是水的導電性比我們想像的要低。我們都以為掉進水中的吹風機非常危險，是因為水可以導電。我們以前都聽父母這樣解釋過，這沒有錯，但也並不完全正確。掉進浴缸裡的吹風機的確很危險沒錯，但那是因為人體的導電性比水好。

就算自來水的導電性很好，但它並非最好的導體之一，例如銅的導電性就是它的 10 億倍。人體的導電性比自來水更強，因為我們不僅是由水組成，還含有許多的鹽，這就是人體比洗澡水更能導電的原因，除非我們在浴缸裡加了浴鹽或尿尿（當然沒人會這麼做），那就另當別論。

如果吹風機掉進水裡，電流在我們身體裡比在水裡更容易傳播，而這種效應還會因為我們整個身體都泡在洗澡水裡而增加，這樣電流的整個接觸面積就會非常非常大。

——本文摘自《神奇物理學：從重力到電流，日常中的科學現象原來是這麼回事！》，2022 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

在前往外星球的探險任務中，很重要的一個問題是如何在外星地表移動。從 1979 年的阿波羅登月計畫所使用的載人月球車，到 2012 年獨自前往火星的好奇號，太空探險車都是採用以輪子為主的設計。這種移動方式容易受限於地形，無法前往地勢陡峭的區域。

在 2021 年底，麻省理工學院的航太工程師開發出嶄新的懸浮技術，能夠讓飛行器在外星球表面懸浮並騰空移動，就像剛升空的幽浮一樣。這種技術已從原理上證明可行，並在實驗室內通過小規模測試，為外星探險技術帶來許多新的想像。

就「地」取材，利用與地表相同的電荷

一般而言，想要讓探險車升空移動是不切實際的想法。如果想讓探險車像火箭一樣燃燒燃料並噴出氣體來推進，就需要搭載大量笨重的燃料，不只讓太空梭升空的負重增加，到達目的地後也很難維持足夠長的任務壽命。另一方面，小行星的個頭都很小，自身的重力無法抓住氣體形成大氣層，因此任何像飛機或直升機的空氣動力方法都不管用。

不過，正是因為缺乏大氣層與磁場的保護，這些小行星的地表會不斷受到來自太陽的高能輻射轟炸，地表的物質被輻射電離使得地表自帶一層電荷，其中向陽面會帶正電，背陽面帶負電。因此，包括月球在內的小行星表面其實都帶有不小的電壓。

在 MIT 的工程師們想到，只要想辦法讓探險車帶有跟地表一樣的電荷，同性相斥的靜電力就能讓其浮在空中。近期的研究表示月球表面的電場足以讓地表的沙塵揚起超過一公尺，有點類似身上充滿靜電時頭髮會豎起來。原則上，我們也可以借用這個自然產生的電場來抵抗重力，打造出「幽浮式」探險車。

要做到這點，可以先在車上裝上液態的離子源，也就是由正負離子組成的液體。加上適當的電壓後，便可以從噴嘴將離子以束狀射出。這類離子噴射所產生的反作用力常用於推進或操控小型人造衛星，不過在這裡也可用來進行靜電懸浮。假如月球地表帶的是正電，幽浮車可以將負離子射出，如此一來整個幽浮車便會帶正電，達到同性相斥的效果。同時，離子束的推力也可以用來操縱車體。

如何加強靜電斥力？讓車子幫地表「充電」

從這個想法出發，MIT 團隊設計出初代的幽浮車模型。但由於地表電荷密度就這麼一點，他們很快從計算發現這樣做的靜電斥力並不足以支撐裝置加上液態離子源的重量。尤其是在月球這類相對較大的星體上，重力加速度較大，幽浮車也需要更強的升力才能升空。

不過仔細想想，在排出負離子後，儘管幽浮車與地表的正電荷總數是固定的，但是兩者之間的靜電斥力大小取決於兩邊的電荷量相乘。因此如果用車上的正離子幫地表「充電」，或許可以加強懸浮用的靜電斥力。

就像是寄包裹時會限制長寬高三者的總和，此時體積最大的選項就是盡量接近正立方體的箱子；同樣的，如果可以適當地將車上的一些正電荷分給地表，原則上就能將兩者之間的斥力最大化。

外太空載具的工程學傑作

理論的計算證實了這個概念上的突破相當關鍵。於是，團隊在設計中加入了幾隻向下的噴嘴，將正離子射向下方的地表，大幅提高地表的局部電荷量。他們在實驗室中造出了第一代幽浮車原型：一個手掌大的六角形薄片，重約 60 公克，裝有四隻噴嘴朝下，一隻朝上。在實驗室的真空環境中，第一代幽浮車在帶電的平板上實際進行懸浮實驗。實驗結果證實了他們的理論模型無誤。

根據目前的理論模型，一個一公斤重的放大版幽浮車將可以懸浮在離地表一公分處。原則上，只要加大射出離子束的電壓就能提升懸浮高度，不過目前的理論只能描述離地高度較小的情況，因此相關的理論參數還需要進一步修正。

這種靜電懸浮所需的能源功率很小，可說是外太空載具的工程學傑作。如果更好的理論模型完成了，那麼未來十分有希望投入實際應用。太空梭可以在小行星周圍投下這些小型幽浮車，讓他們探索崎嶇不平的地表。可惜的是，利用離子噴射來懸浮只對帶電的地表有效，所以在地球上的我們還是得乖乖地用噴射背包來離開地表。

參考資料

• MIT engineers test an idea for a new hovering rover
• MIT Scientists Design a ‘Flying Saucer’ That Could Float Across The Moon