啟動後燃器前，先航向螢幕上的那片藍天吧 – 戰機模擬器

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

過去一年半來 COVID-19（武漢肺炎、新冠肺炎）席捲世界，其病原體 SARS 二世冠狀病毒（SARS-CoV-2）的傳染力可以很強。這種全新的傳染病怎麼傳染，該如何預防，我們的認識不斷翻新。

如今知道常見口號「戴口罩、勤洗手」對防疫有用，卻不是最重要的事；更關鍵的是減少接觸、避免群聚，尤其「長期不通風的室內」，可謂傳播病毒的溫床。

阻止空氣傳染：從防範飛沫到重視氣膠

SARS 二世冠狀病毒主要由空中傳播（airborne），可以想像成空軍，落到地面便威力大減，因此防空是第一要務。有時學術上有些混淆，一般人不計較數字的話，簡單說可以分為兩類：

較大的飛沫、較小的氣膠。

飛沫分子大，離開感染者的身體後，飛行不遠就會墜毀，空中停留時間短。「社交距離」就是為了防止這類傳播：把距離拉開，不直接被飛沫擊中。即使仍有機會觸摸落到表面的病毒，只要搭配洗手和清潔，便能有效阻絕傳染大部份的可能性。

氣膠（aerosol）分子小，正常的呼吸、講話都會產生不少。離開身體後由於比較輕，漂浮距離遠，可以存在空氣中一段時間。因此應付飛沫的手段：拉開社交距離和洗手，對於由氣膠輸送病毒的空氣傳染，效果有限。口罩在此展現價值，卻又引起許多爭議。

許多台灣人嘲笑洋人不戴口罩，但事實上過去正確的衛生教育並不建議口罩。有病的人戴口罩可以減少感冒病毒外傳機會，但是沒有病的人「戴口罩想防範呼吸道傳染病」，這即使不是邪道，也是「缺乏正確知識」的旁門左道。

如今會從防範飛沫演變為重視氣膠，來自科技的進步。畢竟氣膠分子很小，不容易觀測，最近利用尖端科技的結晶偵測與追蹤氣膠，才更加認識過去被忽略的這塊「空氣傳染」。

這也讓我們深刻體驗，科學知識並非不可撼動的權威，必需根據新證據與時俱進。比起擺出知識權威的派頭教訓草民，科學家更應該時時警惕，自我心靈拷問還有哪裡不足。

漏掉一半空氣，為什麼口罩還會有用？

先不管其他傳染病，如果目的是防範 SARS 二世冠狀病毒，戴一般的醫療口罩有用嗎？這個攸關生死的問題，沒有錯誤的回答是：有時候有用、有時候沒用。

是否正確配戴口罩是技術問題，戴不好跟沒戴一樣，本來就無法發揮口罩該有的效果。這兒的心靈拷問是：如果口罩能發揮「該有的效果」，效果會有多好？

顯而易見的事實是，口罩的漏洞很多。2020 年 6 月一篇討論口罩效果的短文中，提出一個想像：攜帶病毒的氣膠顆粒，大小應該和香菸類似；因此病毒的空氣傳播，或許接近香菸燃燒的傳播，假如聞得到菸味，便意謂病毒有入侵機會。

但是普通的醫療口罩，再怎麼正確使用，還是不可能完全阻擋菸味！難道這表示口罩都是騙人的？

的確，就算台灣也有戴口罩還是被傳染的案例（例如看病時被傳染的 908 號確診者），有些人還懷疑是未知的接觸，實在是輕視空氣傳染的威力。可是也有大量實例支持口罩的防疫效果，矛盾何解？

根據已知資訊最合理的解釋是：

空氣中的病毒量不同，口罩的阻絕效果，在病毒量不多時足夠、超過一定量則不夠。

避免群聚、室內通風，口罩在病毒不多時才有效

實測指出一個人在 30 分鐘間，大概可以排放 600 萬個氣膠顆粒，可以想見更多人、更長時間、活動更激烈，累積的數量會更多。而醫療口罩大約能阻擋 30% 到 70% 的顆粒，假如每個顆粒上頭都有病毒，將會有大量病毒穿越口罩。所幸，攜帶病毒的顆粒，比例非常低。

一系列實測、量化、模擬得到結論的大意是：如果空氣中的病毒有限，即使少數能穿透，口罩仍然有足夠的隔離效果；但是當病毒累積超過一定的量，口罩將變得毫無幫助。

可想而知，環境的影響非常非常大。

空氣流通的室外，正常空氣流動便能分散具有病毒的顆粒，另外像紫外線、高溫、濕度等因素，都會摧毀離開人體的病毒。空中的病毒不容易累積，傳染風險便不高。

相對地，密閉的室內，一旦病毒隨著氣膠進入空中，難以排除之下，容易長期漂浮，時間一長將大幅增加傳染的風險。

完全免於人與人的接觸不切實際，不過仍然可以避免群聚，這有好幾個作用。一方面是，假如其中存在傳染源，與其接觸的人愈少愈好；另一方面是如果傳染源不只一個，而是兩個，風險不單純只有兩倍，而是更高。

空中病毒量的累積，和傳染風險並非線性關係，一旦超過臨界值，風險會大幅提升。一些案例便是密閉空間中，幾個傳染源傳染給一大群人。

口罩的防疫效果是雙向的，對於沒有感染的多數人，口罩可以防止病毒入侵，但是如上所述，只有在病毒量低的時候有效。

另一個方向是，正在感染病毒，成為傳染源的少數人，戴口罩也能減少病毒輸出，減低傳染給別人的機率；而且減少輸出的效果，比防止輸入更大。

雙方都戴口罩，減少病毒輸出加上降低輸入，效果最佳。但是只要接觸傳染源，就有被病毒入侵的機會。因此減少接觸、避免群聚，把不通風的場所變得通風、不要久留密閉空間，比戴口罩更重要。

這是一場空戰，防空！防空！防空！

綜合已知情報，SARS 二世冠狀病毒是空軍，雖然仍須留意來自地面的少量威脅，主要戰場還是在空中，防空！防空！防空！

以空戰想像，可以想成人是飛機，口罩是防護罩，感染者是發射飛彈的敵機，病毒是敵軍飛彈。防護罩在飛彈不多的時候，大部分能擋下來。但是第一要務是避免進入飛彈密集的領空，否則防護罩遲早會被打穿。

群聚的敵機愈多，飛彈密度愈高，在密閉領空中停留時間愈長，防護罩被打穿的風險愈高。保持通風讓空氣流通，即使有飛彈升空，也能迅速減少飛彈的密度，降低風險。

飛彈一旦落到地面，大部分會很快自爆，只要不在附近被一起炸到就沒事。不過少數比較慢爆炸，還是要注意一下，這就是洗手和清潔希望達到的效果。

至於大面積噴灑表面消毒之類的手段，對付某些病原體有效，對於 SARS 二世冠狀病毒的傳染，意義不大。話說回來，化學兵只會噴藥，不可能升級變空軍，像是對馬路大範圍噴藥這種事，即使防疫上沒什麼用，也是他們只能做的事。

作戰要贏，講的是效果實在。比起不切實際的花招和花腔，如茶道一般的消毒表演，個人防疫最重要的是防空，以及避免進入飛彈密集的領空。

承受飛彈不多時，防護罩可以有效保護，但是來襲飛彈太多，防護罩即使再強，時間一久也受不了。何況口罩仍有一定機率被病毒穿透，不要想說有防護罩，就傻傻地衝進飛彈海中找死。

日常環境本來是不通風的危險區，盡力將其變成通風的安全區。盡量避免進入飛彈密集的範圍，萬一非得進入，務必正確使用防護罩，也不要在不通風的危險區久留。

SARS 二世冠狀病毒全球廣傳下，也大幅增加空氣傳染的知識。和透過水源、食物傳播的傳染途徑相比，過去對空氣傳染沒那麼重視，這回也付出慘痛的代價。從各層面防止空氣傳染，例如設計建築時，更注意室內通風的問題，將是未來可以改善的方向。

延伸閱讀

• 病毒可能空氣傳染，減少接觸、戴口罩有助防範
• 輕微到無症狀的感染者，可能是許多傳染的關鍵源頭？
• WHO 認氣膠傳播為新冠病毒主要感染途徑，中山大學氣膠中心：口罩密合度影響病毒阻絕效率
• 戴好口罩！飛沫比你想像的厲害！——怎樣的室內環境更容易感染 COVID-19 呢？
• 傳染像流感，殺傷似SARS：肆虐上下呼吸道的冠狀病毒
  

參考資料

• Reducing transmission of SARS-CoV-2
• Cheng, Y., Ma, N., Witt, C., Rapp, S., Wild, P. S., Andreae, M. O., … & Su, H. (2021). Face masks effectively limit the probability of SARS-CoV-2 transmission. Science.
• A paradigm shift to combat indoor respiratory infection
• Face masks: what the data say
• Why indoor spaces are still prime COVID hotspots
• Superspreading drives the COVID pandemic — and could help to tame it
• COVID-19 rarely spreads through surfaces. So why are we still deep cleaning?

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

作者：陳瑞霖

你知道臺大有一臺軍用飛機F-100超級軍刀機嗎？臺大將於八月十四日舉辦認識超級軍刀機活動，希望喚起臺大師生關注超級軍刀機保存議題。

現在擔任臺大物理文物廳導覽員的黃宋儒長期關注超級軍刀機議題，他解釋了飛機的飛行原理。飛機能在空中飛行，是靠白努利定律(Bernoulli’s law)的作用，關鍵在機翼的剖面形狀。從側面看，飛機主翼是一塊上彎下平的長橢圓型物體，由於主翼上端帶有圓弧，使氣流通過主翼上端的路徑比底部長，但氣流通過的時間仍是一樣的，這樣就會使機翼底部的壓力大於上端，從而產生一股向上的升力使飛機浮起來。此次保存爭議的F-100超級軍刀機，在1950年代時是航太科技以及材料科學的大突破。首先，它是第一架實用化的水平飛行超音速戰鬥機，不像先前的戰鬥機只有向下俯衝時才能突破音障限制。其次，為了突破音速障礙，也要推力夠大的引擎，但是如此一來傳統的鋁合金材料無法承受引擎發出的高熱，飛機後半部因此採用鈦合金製造。

航空科技的創新會率先出現在戰機上，與冷戰時期美蘇兩大陣營的對峙密不可分。1949兩岸分裂，台灣很快就被納入美國自由主義圍堵共產主義防線的一環，因此當國共雙方在空中對決時，新式武器也會上陣較量。例如1958年，八二三炮戰爆發期間的九二四溫州灣空戰，高空性能較差的國軍F-86就是首次在實戰中使用美方緊急援助的響尾蛇飛彈(AIM-9)，大破解放軍MiG17，維持了國軍的空優。

而本文的主角、超級軍刀機也是這一年在美方為了鞏固臺灣海峽空優的考量下，首先移交了六架F-100F給我國空軍，此後F-100保衛臺灣領空數十載，讓台海上空得以風平浪靜，不再劍拔弩張。台大的0218號機，於1970年移交台灣，並在1984年除役。1989年軍方將0218贈送臺大保存展示。2009年臺大校方為了社科院大樓興建工程，將超級軍刀機解體，引起臺大學生自發性的保存運動。

你可能覺得飛機是舶來品，科技成就再強也只是來自國外的成果，接下來講得可是臺灣學術史的驕傲了。黃宋儒介紹物理文物廳的鎮館之寶Cockcroft-Walton 加速器，物理學家靠著它證實課本裡的原子模型是正確的。拉塞福(Ernest Rutherford)提出的原子模型指出，原子中大部分質量及正電荷都集中在很小的區域（原子核），而帶負電的電子則圍繞這一區域。1932年考克饒夫(John Cockcroft)以及瓦耳頓(Ernest Walton)在拉塞福的指導下，建造Cockcroft-Walton加速器，利用加速器加速粒子撞擊鋰原子，成功產生氦，證實拉塞福模型。臺大的前身，臺北帝大（臺大的前身）物理學講座教授荒勝文策得知此項研究成果，也建置了Cockcroft-Walton 加速器，在1934年完成原子核撞擊的追加實驗。2005年，臺大為了紀念當年的科技成就，重建當年的原子核實驗室，並且拍攝紀錄片。

黃宋儒希望超級軍刀機能夠早日解決保存地點的爭論。如果飛機能夠在校園一角實體展示，當作解說流體力學和物理基礎科學的教材，配合解說教案的設計，將能成為國中小學生校外教學的景點。同時，做為科技文物，超級軍刀機也見證了冷戰時代的軍事對抗，深具保存價值。

八月十四日是空軍節，臺大學生會、研究生協會舉辦認識軍刀機活動。屆時將請來軍武及航空專家傅鏡平、洪致文來發表演講，並且與臺大集郵筆友社合作，贈送超級軍刀機明信片，另有集戳活動。歡迎關心超級軍刀機議題的人參加。

關於本篇投稿作者：陳瑞霖，大學時讀農學院，現在跑去編資訊領域的刊物，主要負責監控新聞動態。閒暇時去台北維基社群聚會或者寫企畫書辦活動。可以在噗浪上找到我。