新多孔聚合物是一種威力強大的超級電容

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

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

穿戴式裝置正火紅，除了智慧手錶、智慧手環等常見的穿戴裝置，你知道還有智慧衣嗎？相較於智慧手錶或手環，智慧衣能更貼近、更大範圍的覆蓋人體，在生理檢測上，能比手環類產品來的準確。但若要能夠檢測，智慧衣就得通電，目前市面上的智慧衣仍需要額外的供電裝置（像是固體電池等）來供給電力，不但累贅，也降低了穿戴舒適性。

超級電容器供電於無形之中

美國卓克所大學（Drexel University）近期和美國海軍學院合作了一項研究計畫，他們找出一種方式，能夠讓活性碳顆粒嵌入不同類型的毛線中，藉此可儲存能量，進而觸發感測器及電子整合裝置，並將這類針織品改良而成智慧衣。

這些由不同類型感測元件製成的「智慧布料」，其實已經發展十年之久。但以往這些產品往往都只是實驗室裡的展示品，近幾年才開始進入消費者市場，像是能夠監控運動員生理狀況的智慧穿戴裝置，以及追蹤健康與身心狀況的產品。根據 Gartner 在 2014 年底的報告指出，智慧服裝的市場將會從 2014 年的十萬件，成長到 2016 年的兩千六百萬之譜。

直至目前為止，市面上多數產品皆會利用額外的處理裝置來做資料擷取，並和智慧手機、平板等行動裝置連結。這些處理裝置的模組雖然不大，但仍必須使用傳統電池供給電力，從美學或是功能的角度來看，這樣的設計其實都不盡理想。

因此，創造一個高彈性，且能整合到針織品的能量儲存器一直是相關研究人員的目標。終於在去年，來自中國與美國的研究團隊有了一些成果，他們分別展示了由石墨與碳奈米管製成，且能編織進服飾的纖維狀超級電容器。當時的報導指出，這些以碳為基礎的微型超級電容器，每個纖維擁有最高的體積能量密度（每小時 6.3 微瓦/每立方毫米，相當於一個 4 伏特，每小時 500 微安培的電池）。但是這些產品雖然看似強大，其造價卻相當昂貴，而且碳奈米管可能含有毒性的疑慮尚未被排除，再再都降低了此產品的商業價值。

關鍵因子：活性碳、天然纖維焊接與離子液體

為了能夠創造出不需外在裝置、成本低廉的能量儲存裝置，卓克斯大學的團隊開始採用價格便宜的活性碳。除了便宜外，活性碳安全無毒，甚至常常被用於減少有毒物質的吸收。根據卓克斯大學材料科學家 Yury Gogotsi 表示，只要使用約 3000 平方公分的面積（相當於襯衫背部中央區塊的大小），便能儲存相當於一個 4 平方公分大小的錢幣型電池的電力。

為了達到這樣的能量密度，該團隊採用一種叫做天然纖維焊接的技術（Natural Fiber Welding，NFW），這種技術是由美國海軍學院的化學教授 Paul C. Trulove 與空軍辦公室的科學研究部的 Hugh C. Delong 發明。NFW 可讓像是活性碳等材料，嵌入由棉、麻、竹子或人造絲製成的紗布、織品。

NFW 技術雖然複雜，但在卓克斯大學與海軍學院團隊的努力下，它們製造出一台專門用於NFW 的機器，能夠持續的生產出數十米的紗布。「真正需要成本的只有 NFW 過程中所需的離子液體」海軍學院總司令 David P. Durkin 說：「它們雖然昂貴，卻是非常優異的替代有機溶劑，因為它們不會揮發，甚至可以在水中重建，進而回收」，Durkin 認為，如果NFW技術被規模化，那麼離子液體的成本將會是一項關鍵因素。

電力供給效能尚待解決

在現有技術下，能量儲存紡織品的所能供給的電力其實並不多，像智慧手機等行動產品可能都不敷使用，但還是有許多其他應用可以受惠於這類紡織品。卓克斯大學博士生 Kristy Jost 解釋道，現在市面上有越來越多的電子紡織品，但多數產品仍需藉由固體電池來提供電力，針對此點，她致力於儲能紡織品的研發，最終目標是希望生產出一種能量儲存裝置，能夠驅動相關電子產品，像是針織感測器、低功率的通信設備等。
相較智慧手錶、手環等較為 High-Tech 的產品，智慧衣則 High-Touch 多了，不但能夠真正「穿」在身上，也能提供更準確的生理數值。在娛樂價值上，模特兒與藝人也能穿著智慧衣，在表演時展現更多炫麗的特效，增加娛樂效果。只要能夠解決電力供應的缺點，相信在 2016 年達成兩千六百萬件的市場規模絕對不是問題。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧

文＼王昱夫

能源和環境無疑是近年來大家最關注的話題之一，電動車更是其中常常被拿出來討論的選項，然而，這類電力產品長久以來無法普及的ㄧ大困難點，就在於充電時間太長，想像一部車開進充電站，卻要花上半小時時間充飽電才能再上路（而且還沒辦法像用油一樣開那麼遠，很快又得找站充電），簡直讓人受不了。針對這樣的問題，紡織產業綜合研究所開發的「超級電容」，不但能夠滿足快速充放電的需求，更可以和紡織技術結合，開創出全新的市場！

紡織所開發的「織物超級電容」，曾在2011年榮獲R&D100大獎（此獎項素有「產業創新奧斯卡獎的美譽」）。其特色在於具備高度柔軟性（可180度折疊）、高穩定度、長壽命、快充快放及大容量，可以有效與自行車發電系統、太陽能電池做結合，成為高度生活化且應用性高的產品。

織物超級電容為什麼可以擁有這麼多優異的性質呢？其最創新之處便在於它使用了紡織材料作為電容的基材！是的，你沒看錯，是紡織材料！捨棄了以往電子材料總是硬梆梆的刻板印象，研究團隊採用了柔軟可撓的紡織物支撐整個電容結構，於其中灌注特定比例的電解質溶液後加以真空封裝，做成這片厲害的超級電容。也由於是使用紡織品材料，整片電容就像衣服一樣，可以隨意的扭曲、搓揉，當筆者親手拿著它把玩！簡直難以想像傳統的電子元件竟然能以如此特別的型態被製造出來！

「我們採用紡織材料來做，就是因為它具有好的可撓性和多孔性結構」受訪的蔡副組長向我們解釋道。有了好的可撓性這項產品的應用便不受限於傳統的空間限制，可以把它彎曲、塞在很小的空間內，或是放在背包、衣物這種需要高柔軟性的物品上，與穿戴式裝置做結合。除了可撓這項大特色之外，織物超級電容比起傳統的電容在性能上更絲毫不遜色！它的充放電速度接近傳統電池的100倍，同時，它比起一般電容，不但漏電速度慢，其壽命甚至可以經歷將近10萬次重複充放電（普通電池充放電壽命約300~500次）！這些特點結合起來，未來或許就能與前面提到的電動車輛做結合，達成快速充放電電力車的願景。

在應用面上，紡織產業綜合研究所也研發了特殊的LED紗線作為目前市場化供應的第一步。LED紗線和傳統的LED不一樣，也是強調「以紡織材料為主體」的產品，透過高度技術織造，具備比起傳統電線更高的承重力，也可以像一般衣物一樣耐水洗；值得一提的是，紡織所開發的這款LED紗線不像一般的LED燈有方向性（只有一個方向發光），360度全方位可發光，不論從哪端看都可以看到亮光！而且，紗線本身材質的導光效能也很好，可以讓整條線均勻發光，提高其應用性。

從產品端來看，目前織物超級電容已應用於自行車與太陽能供電裝置：由於這類發電來源其供電量往往不穩定（人踩的速度不可能一直固定嘛@@太陽也不會一直在頭頂～），如果直接把發的電接到要使用電的裝置上（像是車燈或手機充電裝置），效果可能不好（燈一下暗一下亮）或甚至會損傷器材（手機壞掉），所以這時候，就輪到超級電容出馬了！發揮它快速充電的特點，在發電時快速將電力儲存於電容內，再以固定的輸出量供電給要使用的裝置，達到好的電力運用（智慧儲能的概念啊！）。LED紗線則是可以運用在安全警示，與智慧型穿戴裝置做結合，結合這兩項技術，說不定未來，能夠像「布」一樣隨身攜帶的螢幕，也不再是天馬行空了呢！

紡織業以往被大家視為傳統產業，很難和最新科技這類的詞彙聯想在一起，然而，紡織所開發的智慧型儲能及發光織品，卻讓我們都著實大吃了一驚！紡織如此柔軟的材料，在與電子科技結合後，開創出了新的ㄧ片藍海！

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