當寒暑成災：導言

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

• 作者 / 林子平

太陽射出短波，加熱物質使表面升溫、釋放長波。

不只是太陽，任何物體皆會發出熱輻射，當表面溫度愈高，釋放的熱輻射就愈強。太陽表面溫度極高，會釋放出能量較強的熱輻射，我們稱為太陽輻射，因其波長較短也稱為短波輻射；當太陽照射在地表或物體上後，地表及物體材料會吸收短波並使表面溫度上升，釋放出能量較弱的長波輻射。因短波含有可見光，所以人眼能夠看得到太陽投射到地上的日光，而長波只有蝙蝠和蛇類等少數動物才看得到。

從房間來了解熱輻射理論

想像一個有大面天窗的房間中，太陽短波輻射穿透了玻璃投射到室內地面，有一部分短波會被反射，繼續以短波的形式前進，再度穿透玻璃返回天空，或碰到天花板再次反射回地面。其餘短波則會在房間內的地板、牆面、天花板之間來回反射並且被室內的不同材料吸收，使表面溫度上升。

而室內較高溫的地板，會放射出較多能量的長波，並在室內進行多次的吸收及放射現象。值得一提的是，短波來自太陽，只有在白天的時候才有，而長波來自所有的材料表面，不論白天或夜間都會釋放。

材料與波的特性，對熱環境有極大的影響

短波具有方向性，就像手電筒光線投射到鏡子一樣，反射光會和入射光角度相同，且反射後其性質不變，仍是短波。材料對於短波入射及反射的比例稱為反射率（有些領域亦稱反照率），很黑的材料反射率接近 0，鏡子的反射率則接近 1，數值愈高代表材料反射短波的比例愈高。如果是不透明材料，那麼材料對短波的吸收率加上反射率等於 1，這代表進入材料的短波被反射後的剩餘部分，會完全被物體吸收。也就是說，當材料反射率愈低，就會吸收愈多太陽熱量，造成高溫化問題。

長波則無方向性，就像石頭掉入水面產生漣漪一樣，長波會由物體表面往四面八方放射。我們以放射率來定義材料在特定波長及溫度下輻射放射的效率，數值愈高代表放射效率愈好。但比較特殊的是，材料對特定波長的吸收率恰等於放射率，也就是物體對長波吸收效率愈好，其放射的效率也愈好。標準的黑體其放射率為 1，代表 100% 地吸收及放射輻射。地球上除了少數表面光滑的物體之外，大部分物質的放射率都在 0.9 至 0.95 左右，差異不大。

長波輻射會加熱空氣使氣溫上升

短波與長波對表面溫度及空氣溫度的影響也截然不同。短波能量很強，被物體吸收後表面溫度會快速上升，然而，它的特性是幾乎不會加熱空氣，如果能在第一時間被高反射材料反射回天空，對都市蓄熱的影響其實不大。相反的，長波能量雖弱，對表面溫度的增加並不明顯，但它的問題便是會加熱空氣，使空氣溫度上升，不能輕忽。

讓我們再回到前面說的房間，看看長短波輻射如何聯手影響表面及空氣溫度。在這個房間的天窗下方因為有太陽短波抵達，這些短波會在室內複雜的地面、牆面、屋頂、傢俱之間來回吸收及反射，提高材料表面溫度。材料溫度上升後會放射長波，並在材料之間來回吸收及放射大量長波輻射，並加熱空氣，使空氣溫度也持續上升。相對的，陰影區因為有不透光屋頂面的阻擋，或天窗上遮陽板及戶外植栽的遮蔽，所以接收到的短波極少，使得表面溫度較低而減少了長波輻射，空氣溫度會比較低，由此可知，陰影對於表面溫度及空氣溫度降低十分重要！

地球熱輻射與溫室效應

如果把地球想像成前述房間的延伸，這個大房間的隱型屋頂及牆壁——即大氣層中的氣體（氮、氧、二氧化碳⋯⋯）、液體（雲、雨）、固體（粉塵、懸浮微粒）等，再加上它變化萬千的地板——即冰層、陸地、森林、海洋、河川等，決定了輻射在大氣層內的穿透、反射、吸收、放射等變化。

太陽輻射進到大氣層後，對於生物危害較大、波長最短的一部分紫外線，會被氧氣及臭氣吸收，抵達地表的短波包含其它紫外線、可見光，以及紅外線三個部分。在到達地表的過程中，雲就像地球這個大房間的高反射窗簾，可將大量的短波反射回到外太空。如果我們將太陽進入大氣層的全年平均輻射能量當作 100%，其中大約有 22% 的短波會被大氣反射回外太空。短波輻射繼續往下到達地面時，會受到不同地表材料的反射率影響，大約有 7% 的短波會被地表反射回外太空。合計有 29% 的短波被大氣及地表反射。

而剩餘的 71% 短波輻射則被大氣和地表合力吸收，如同小房間的牆面、地板接收到短波後表面溫度會上升一樣，地球的大氣及地表也會升溫並釋放長波輻射量。這些長波輻射中，10^-4 奈米以上的長波輻射幾乎都會被水蒸氣吸收，其它像二氧化碳、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、臭氧等也都會吸收特定波長的長波輻射。然而，就像之前小房間提到地板與牆面之間重複的吸收及放射長波過程一樣，這些氣體吸收了長波輻射後還會再向地表放射長波輻射，亦即逆輻射。這種大氣和地表之間輻射能量的重複應用，是十分高效率的能量循環，可讓地球氣溫提升，這個現象就稱為溫室效應，而上述這些氣體我們就稱為溫室氣體。溫室效應使地表的氣溫維持在 15℃，若沒有大氣，地表溫度將會是 -18℃。也就是說，溫室效應的存在，讓地球保持一個生物能生存的環境，具有其重要性。

然而，隨著工業化發展，人為排放的溫室氣體急劇增加，也強化了上述大氣和地表之間輻射能量循環。IPCC 氣候變遷的報告也指出，人類活動排放的溫室氣體是造成當前地球暖化之主因。這顯示出，溫室效應原本是讓生物得以生存在地球的利器，如今卻轉變為造成環境衝擊的殺手。這對於都市熱島這個議題，具有兩種意義。首先，隨著都市熱島問題的惡化，包含地貌改變造成地表反射率降低，以及人工發熱增加時也可能連帶使溫室氣體排放增加，這都會增加地球暖化的問題。再者，地球暖化可能造成未來市區與郊區的溫差更大，也可能使市區與郊區的整體溫度都上升，這都將使都市熱島的問題更加複雜及惡化。由此可見，都市熱島與全球暖化是緊密相依的議題，當我們解決都市熱島問題的同時，也有助於全球暖化的減緩。

• 作者 / 林子平

比氣候變遷更早被發現的「都市熱島」

「都市熱島」這種市區氣溫比郊區高的現象，可不是最近才被注意到的，它被發現的時間甚至比我們耳熟能詳的「氣候變遷」、「全球暖化」都還要早！在距今 200 年前的 1818 年，英國的盧克．霍華德就已指出都市空氣溫度高於郊區的現象，他發現倫敦市中心在夜間的氣溫，比郊區足足高了約 2.1℃，當時大家對這個現象及造成的原因都很好奇，霍華德則是把這個現象主要歸因於倫敦市區嚴重的煙霧（smog）——這是個結合了煙（smoke）和霧（fog）兩個字所產生的新字。

霍華德是個傳奇的人物，他的本職其實是位製藥學家，氣象雖只是他業餘的興趣，但他被公認是都市氣候研究的先驅。而他在氣象領域中最廣為人知的貢獻，是將雲分類並命名的第一人，這個分類系統一直沿用至今。很多人稱他為雲之教父，德國文學家哥德甚至還寫了一首詩，讚揚他為捉摸不定的雲起了各種名字呢！

從霍華德第一次發現都市熱島現象迄今，200 年來世界各地有許多學者針對不同都市的熱島現象、成因、對策進行探索。尤其近年來熱島現象在氣候變遷、全球暖化的影響下，惡化的速度更是急劇加速，建立大眾對都市熱島議題的認識和思考，已是刻不容緩的任務。

都市熱島急劇惡化程度高於氣候變遷

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在歷次的評估報告中指出，人類活動為影響氣候變遷的主要成因，2016 年聯合國成員國也簽署了《巴黎氣候協定》，協定的其中一個目標是要將地球的上升溫度控制在 2℃ 以內，並致力於限制到 1.5℃ 以內。在一些網路上的影片中，我們可以看到北極的冰山因為暖化問題正逐漸融解，北極熊必須要長途跋涉，游更長的距離去尋找食物。看著瘦弱不堪的北極熊，愈來愈多人願意改變對於環境及資源的使用方式，也改變自己的生活模式，來減少二氧化碳的排放。

但其實早在 200 年前倫敦市區的氣溫就比郊區高了 2℃ 以上，2008 年一個倫敦研究更指出，市區及郊區的溫差已經到了令人難以置信的 8.6℃，遠高於《巴黎氣候協定》對世紀末溫度控制的目標。當我們試圖做出努力，減少全球溫度升高，解救北極熊的同時，是否曾經想過，享受著現代都市生活種種好處的自己，其實也正付出相對的代價，承受著前所未有的高溫化衝擊。

一座飄忽不定但影響甚巨的「島」

你可能會好奇，為什麼要用「島」這個字來描述都市高溫的現象呢？這是因為都市的氣溫有高低起伏的變化，若畫出等溫度線圖，可以發現它看來很像島嶼的等高線圖。在這個虛擬的島上，高溫區像是島上的山峰，而且往往不只一座；而低溫區則如島上的平原，也可能是兩個山峰之間的山谷。都市在同一時間下最高溫區及最低溫區的氣溫差異，即是「都市熱島強度」。

隨時變化且不易定義的都市熱島強度

都市熱島強度可以用來描述熱島的嚴重性，例如上一節提到倫敦市區及市郊的溫差在 1818 年是 2.1℃，到了 2008 年溫差則達到 8.6℃，我們可以說倫敦的都市熱島強度在這 200 年間劇烈地升高了，代表這個都市高溫化的問題愈來愈嚴重。

都市熱島強度的定義看來很單純，就是把都市中的最高溫及最低溫相減，但實際上，這可比計算一個都市的海拔高差複雜多了！首先是都市中最高溫及最低溫的地點及數值，並不像山川、平原地形一樣，位於固定位置，有固定的高度，它會隨著不同年度、季節、時段一直在改變。以台南為例，白天最高溫常出現在東南側的內陸區，而夜間最高溫卻是位於西北側的沿海區。另外，都市最高溫區很容易指認，通常是在車站、市中心，或發展密集的區域，但低溫位置卻很難定義。低溫區應該選擇在都市開發密度高低變化的邊界處，且海拔高度應與高溫區接近較為合理，例如台北市的低溫區若選擇海拔高、氣溫低的陽明山，那就不夠客觀。