終於在太空中找到氧分子

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

身體的組成，元素都知道

你體重的大約 65％ 是由氧（O）所構成。體重 60 公斤的人，竟然有將近 40 公斤是氧原子的重量。下方插圖是表示組成人體的元素的內容（質量比例）。

人體的 70％ 左右是水（H₂O），而氧是水的構成要素。構成身體的蛋白質和核酸（DNA 等）也需用到氧。此外，肺所攝取的氧會溶於血液中，供應給全身的細胞。

第 2 名之後依序為碳（C）、氫（H）、氮（N）等等。這些元素也是蛋白質以及核酸等製造人體的物質的材料。接下來的鈣（Ca）是骨骼的成分， 磷（P）主要做為製造核酸的成分。以上這些前 6 名的元素，占有體重的 98.5％。構成人體的元素，和構成地球的元素一樣，追本溯源，都是在宇宙空間或恆星裡面誕生的元素。

人體也含有鐵（Fe）、鋅（Zn）等金屬。而且已知某些特定金屬是維持人體正常機能不可或缺的必需元素（請參照下表）。例如鐵，成人的體內含有大約 5 公克，主要用於製造血紅素（hemoglobin，血紅蛋白），這是一種在紅血球中負責與氧結合的蛋白質。眾所周知，如果鐵含量不足，輸送氧的能力會下降，導致貧血。

表格為包括微量元素在內的更詳細內容。依據含量的多寡分成多量、少量、微量、超微量等幾類。表格中以藍色字體書寫的是人體的必需元素。由表可知，有些元素雖然數量極微，卻是人體不可或缺的必需元素。

• 註：1 mg ＝ 0.001 g
• 含量較多的前 6 名元素，占有體重的 98％ 以上。人體含有各式各樣的元素，但其中有 23 種元素，如果欠缺的話會引發某種障礙，稱為必需元素。

人體內也有金屬存在？！

金屬元素是人體所必需的，這件事是在 1745 年第一次獲得確認。義大利醫師門吉尼（Vincenzo enghini）發現燃燒血液剩餘的灰燼可被磁鐵吸引，因而第一次注意到人的體內有金屬存在。

此外，汞（Hg）和砷（As）這類攝取太多會有害的元素，其實在人體裡面也含有微量（體重 60 公斤之中，就含有數毫克～數十毫克的程度）。這些元素到目前為止還沒有發現它們是人體所必需（承擔某種機能）的證據，但也有學者認為它們是必需的。

元素在體內如何被運用？

主要的元素在體內如何被運用。前6名元素是用來做為製造身體的蛋白質、核酸（DNA）、骨骼等的材料。此外，鈉及鉀等金屬材料則溶於體液中，發揮酸度的調節、細胞間的訊息傳送等功能。

• 水（H₂O）：占體重的70％左右。以充滿於細胞間的體液或血液的形態，溶解氧等氣體、糖等營養成分、各種離子。

• 丙胺酸（C₃H₇NO₂）：丙胺酸（alanine）是胺基酸的一種。蛋白質是由丙胺酸等 20 種胺基酸串連在一起而構成。在半胱氨酸（cysteine）這種胺基酸裡面含有硫。

• 葡萄糖（C₆H₁₂O₆）：葡萄糖是糖的一種，以血糖形態溶於血液中，做為主要的能源使用。

• DNA：在所有細胞的細胞核裡面，以遺傳基因的形態存在。DNA 由碳、氮、氧、氫、磷等 5 種原子構成。由於氫的數量很多，為了避免妨礙觀察，在上方的插圖中省略不畫。

• 鈣（Ca）：存在於體內的鈣之中，90％ 以和磷結合的形態存在，做為製造骨骼的材料。

• 鈉（Na）：主要以鈉離子（Na⁺）的形態存在於體液中，用於酸度及離子濃度的調整等。

• 鉀（K）：主要以鉀離子（K⁺）的形態存在於細胞內，具有促進細胞代謝等的機能。

• 氯（Cl）：主要以氯化物離子（Cl^–）的形態，存在於細胞內及體液中，具有調整離子濃度等等的功用。

• 鎂（Mg）：約有 6 成存在於骨骼中，約有 4 成存在於肌肉等處。

——本文選自《完全圖解 元素與週期表：解讀美麗的週期表與全部118種元素!》，2019 年 9 月，人人出版

最新研究指出，系外行星的大氣即便有豐富的氧－卻未必見得都是生物造成的現象－反倒有可能只是恆星輻射的紫外線組合過於特別而導致的。

地球大氣中本不該有單體氧存在。但是，還好有光合生物出場，在距今大約22億至24億年前，單體氧的豐度開始增加，直到今天它都還在（為此，大家都該感恩）。

許多天文生物學家相當樂見在系外行星上也出現的是相同情形 – 尤其那些以M型矮星為母恆星的系外行星 – M型矮星周圍的系外行星向來是這類搜索的首選標的，在我們的銀河系裡，這類恆星數量特別豐富，壽命長而穩定，溫度涼爽，黯淡不亮，質量較低，這幾大特徵，讓發現這類恆星附近的行星相對變得容易。

善於計算宇宙中一些機率問題的天文學家最近掐指運算，發現，在這種M矮星附近找到類地行星的機率高達近50%，並且如果大氣裡含氧，那就更暗示「生物活性」的活躍啦。

可不是。但未必盡然。

由中國國家天文台田丰教授主導的國際團隊，近日在一場行星科學會議中發表最新報告，提供一種想法說明了位於M型矮星適居區內的行星，「可能有很多單體氧，但其實完全沒有生命現象」，田教授團隊認為這種假陽性的機率頗高。

這關鍵要看母恆星所發出能量如何。今年稍早，科羅拉多大學一支團隊（Kevin France主導），用哈柏太空望遠鏡對6個M型矮星做研究，光球區雖不太亮，這些M型矮星輻射出大量紫外線。飆出相當於太陽等級的遠紫外輻射，但是近紫外輻射卻不到太陽的0.1％。

田丰說，遠近紫外線兩者比例的強烈懸殊，讓這些系外行星大氣化合物的組合也大不相同。意思是，遠紫外光子可以分解二氧化碳並產生氧原子，氧分子（O₂），甚至臭氧（O₃），在和氫發生反應後，產生其他副產品包括H₂O₂和HO₂（注意：不是H₂O）。但倘若近紫外光子的數量遠遠不足，將會導致重組成CO₂反應作用也無法維持太久，而最終，氧濃度會變高。

以光譜儀檢測氧氣不難，設計製造未來的太空飛行器以執行系外行星大氣偵測任務是指日可待。不過，會不會到頭來，含有氧的這項條件對其實根本不存在的生物活性反而造成誤判呢？雖不至於，但田丰教授提醒的是，我們得學個功課，恐怕該先對紫外線的環境好好地摸熟，再號稱系外行星上「有生命存在」。（Lauren譯）

資料來源：Is Oxygen a False Positive for Alien Life?

赫歇爾太空大型望遠鏡和最先進的紅外探測器首度為我們證實了：在太空中也發現氧分子，這是在獵戶座恆星形成區中的新發現。

單一原子氧在太空中很常見，尤其在大質量恆星的周圍。但是氧分子，也就是構成我們所呼吸空氣約20％的氣體，過去一直和天文學家玩著捉迷藏，直到這回才現身。

赫歇爾計劃首席科學家，本篇論文的主要作者Paul Smith說：「氧氣這種氣體在1770年代時便已發現，但終於能肯定地說，這個非常簡單的分子，在太空裡真的存在，卻花了我們230年」，該團隊的最新 發現即將刊載於Astrophysical Journal。

幾十年來，天文學家為了搜尋難以捉摸的太空氧分子，用上了熱氣球搭載的偵測儀器，地面和太空望遠鏡。2007年，瑞典的奧丁望遠鏡對氧分子曾有過驚鴻一瞥，但再次確認卻一直沒消息。

這次發現氧分子的Goldsmith和他的同事認為，氧氣是被鎖在水冰裡，被微小塵埃微粒包覆住。赫歇爾望遠鏡在獵戶座星雲探測到的氧，是冰顆粒受暖於星光後，釋放出水所形成。冰變成水，轉換成氧分子。

這次的發現可能可以說明太空中還有一些氧可能藏身何處，論文作者Goldsmith說：「這次，我們並沒有發現大量的氧分子，並且也還沒搞懂，這回觀測到氧分子的這個所在處，到底有何特別，所以，目前為止，宇宙還是對我們謹守著許多不透露的秘密。」

Goldsmith團隊計劃繼續往其他的恆星形成區去尋找氧分子。

氧在宇宙常見元素榜上排名第三。它的分子形式在太空中必然豐富，華府總部的赫歇爾計畫科學家表示，赫歇爾望遠鏡是探測這個未解之謎的有力工具，它是個 創新的工具，為天文學家提供了一個最佳指示器，能在一套新的不同波長中查看，究竟誰能洩露出氧分子訊跡何藏。(Lauren譯)

下圖圖說：太空氧不再音訊渺茫

鄰近於獵戶座星雲的恆星形成中心，在一塊氣體塵埃密集區裡，赫歇爾望遠鏡發現了 – 氧分子。

天文學家終於在太空中找到了氧分子獨特的訊跡（signature），這種氧分子正是我們在地球上每天所呼吸空氣的組成成分之一。雖然在赫歇爾太空望 遠鏡的觀測中，仍未解答為什麼宇宙裡的氧分子一直如此罕見，不過這個最新觀測成果，倒是對於為甚麼過去一向以來，氧分子從不肯在宇宙裡現身，提供了一些線 索。

天文學家認為，可能是新生恆星溫熱了附近的冰微粒(icy grain)，釋放出水，然後水轉換為氧。但至於為何在同一塊氣體塵埃雲裡的其他部分，卻並未檢測到氧分子呢?或許是因為那裏的氧仍被鎖在冰微粒裡。

圖片的放大區裡顯示的是，氧分子在藝術家筆下的概念圖，其中，兩兩相連的球體表現的是：兩顆氧原子結合在一起變成一個氧分子。背景中的獵戶座星雲由NASA的史匹哲太空望遠鏡於紅外光波段中拍攝。

下圖圖說：獵戶座星雲裡的氧

　　本圖說明了天文學家終於在太空裡發現了氧分子! 位置就在獵戶座星雲核心附近的恆星形成區中。早先已有人提出氧分子可能存在，但直到這次才藉由赫歇爾太空望遠鏡觀測獲得明確證實。圖中彎彎曲曲的線條，或 者又稱為「譜線」，表現的是氧分子的訊跡，由赫歇爾太空望遠鏡在獵戶座星雲發現。

赫歇爾太空望遠鏡上的遠紅外線外差儀器，一部分是由NASA的JPL(噴氣推進實驗室，位於加州帕薩迪納)所開發的，這次，它被用來將獵戶座星雲一塊 特定區域所發出來的光線，在次毫米波中將它進一步又拆分成好幾個不同的波長(如圖，270， 390和 620 micron： 微米)。天文學家使用這種叫做光譜圖的圖形來表達這些訊息，也呈現出分子所特有，像人類有「指紋」一樣的特徵。譬如，這次以氧分子為例來說，他們辨識出三 個氧分子所具有的獨特指紋，參見如頻譜圖所示。三線條呈現出不同的波長範圍，屬於氧分子訊跡的又以粉紅色加以標示。獵戶座星雲是由NASA的史匹哲太空望 遠鏡於紅外光波段中拍攝。圖片來源： ESA/NASA/JPL-Caltech

資料來源：轉載自中研院天文網

引用自臺北天文館之網路天文館網站