有機太陽能電池也想穿金戴銀

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／齋藤勝裕，本文摘自《改變世界的碳元素》，世茂出版，2020 年 09 月 30 日

化學家無不有著「想要製作極小機械」的願望。說到極小的機械，那就是僅由 1 個分子作成的機械，世界上不存在比這更小的機械。「這有可能實現嗎？」雖然有些人會抱持懷疑，但在 8-3 出現的分子夾，就算不能說是「機械」，也可作為「工具」。

既然如此，何不索性用 1 個分子組成汽車？基於此概念作成的就是單分子汽車。是不是非常符合碳元素王國的國王「專車」呢？

單分子單輪車

一開始便想要用分子製作「汽車」，門檻好像有點過高，所以一步步按照單輪車、雙輪車的順序來嘗試吧。首先，以一個分子組成一個輪子的汽車，能夠做出單分子單輪車嗎？

實際上化學家已經做出來了。雖然外觀跟常見的單輪車不同，但馬戲團小丑踩踏的球，也可說是一種單輪車？如此想來，可以使用前面 2-3 所說明的球狀分子，把 C₆₀ 富勒烯當作球本身，這樣便可製出單分子單輪車。

單分子雙輪車

接著是單分子雙輪車。這個也很簡單，只要將 2 個富勒烯與直線狀的分子連接就行了，可以利用直線狀分子乙炔 HC≡CH。如此一來，也可製作出單分子雙輪車來。

單分子三輪車

如下圖所示，也可製作出單分子三輪車來，但這跟現實中的三輪車有些不同，3 個「車輪（富勒烯）」鍵結成放射狀。結果，這台三輪車沒辦法向一定方向前進，僅能在固定位置旋轉。

化學家利用這個富勒烯單分子三輪車，置於黃金的晶體上，觀測到的動作如同預想，單分子三輪車僅在原地不停旋轉。

繼續研究下去。為什麼這台三輪車會持續在固定位置旋轉呢？如果此分子的動作僅是熱振動，或者在黃金晶體表面滑動，應該不會產生旋轉運動。如同預期，「旋轉運動」這件事證明了，作為車輪的富勒烯確實發揮車輪的功能，產生旋轉運動。這在化學上可說是意義非凡。

我們知道人們「需要讚美」，化學也是如此。在發表實驗結果的時候，重要的是最大限度解讀結果中的意義，「讚美」實驗結果。如此一來，即使實驗結果沒有震驚全世界，也是對研究人員的一種肯定。「雖然是項無趣的實驗結果，還請容許我在此向各位報告」若是這麼說，就太辜負研究人員的努力了。

單分子四輪車

右頁上圖是單分子四輪車，目前已經實際合成出來了。這個分子有一個「工」字型底盤，上面帶有4個輪子，沒有少掉任何部分，是完全的單一分子。右頁下圖是該分子置於黃金晶體上的移動軌跡。重點在於，分子僅沿著短軸的方向移動，若要改變行進方向，此時分子會自動旋轉。這表示車輪的確有轉動前進。

自力移動的「單分子汽車」

遺憾的是，以上的「汽車」皆沒有引擎，沒辦法獨立移動，需要有外物拉引才能移動，感覺像是令人懷念的人力車。

那麼，我們是否無法製造自發性移動的分子汽車？不，自己發動、自力移動的單分子機械已經製造出來了。

2017年，舉辦了集結世界各地單分子汽車的國際賽事。會場設於法國土魯斯（Toulouse），稱為「奈米車賽」（Nano Car Race），共有 6 台車報名競賽，其中也有來自日本的分子車。

各位讀者覺得如何呢？雖然一時可能覺得難以置信，但這絕對不是在開玩笑。碳元素王國如此進步，已經進步到無論想要製作什麼樣的分子都不是問題。

然而，如下圖的簡單四角形分子環丁二烯（cyclobutadiene），至今卻沒有辦法合成。

這並不是因為化學不發達，而是根據前面的「前緣軌域理論」（參見 2-5），理論上無法做到。然而，這僅只是「分子的集合體不可能合成」，但若在周圍沒有其他東西，假設「宇宙空間中僅有這 1 個分子」的狀態，已經證實是有可能製作出來。實際上，學者已在實驗的狀態下成功合成了環丁二烯分子。能夠在理論上證明這件事，也是碳元素王國實力的一環。

我們都知道黑黝黝的石墨與晶瑩剔透的鑽石其實都是由碳元素所構成，差別只在於結構不同。石墨中的碳原子是像蜂巢狀那樣六角形排列的平面結構，鑽石內部的碳原子是結構緊密的正四面體。長久以來，科學家相信單一碳元素形成的結構就這兩種，然而，1985 年 11 月 14 日，科學期刊《自然》上的一篇論文卻推翻了這看法。

這篇論文的作者是英國化學家克羅托（Harold W. Kroto, 1939－ ）、美國化學家斯莫利（Richard E. Smalley, 1943－2005）、柯爾（Robert F. Curl, 1933－ ）及另外二人。克羅托是以訪問學者的身份來到斯莫利的實驗室，原本是要研究碳鏈分子的形成機制。1985 年 9 月 4 日，他們用雷射射向氦氣中的石墨，再用質譜儀檢測汽化蒸發的碳分子，結果原子量為 720 的信號異常強烈，他們才赫然發現自己製造出一種前所未見的碳原子結構──由 60 個碳原子組成的C₆₀。

C₆₀ 的形狀就跟現代足球一樣，是由 12 個正五邊形 20 個正六邊形構成的 32 面體，碳原子就位於 60 個頂點。因為這形狀類似美國建築師富勒（Buckminster Fuller）於 1967 年在蒙特婁世界博覽會，首創的球形穹頂建築，因此他們把 C₆₀ 命名為 ”Buckminster fullerene”，簡稱「富勒烯」。

他們的論文發表後雖然已起各界注目，但普遍認為這只是實驗室中在特殊條件下才有的產物，意義不大。然而 1992 年，就在俄羅斯的地底礦石中發現富勒烯；2010 年，史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）又在六千五百光年外的星塵中發現 C₆₀ 的特殊信號，證實了自然界也存在富勒烯。

克羅托、斯莫利、柯爾三人於1 996 年共同獲頒諾貝爾化學獎。其實早在 1980 年，日本的飯島澄男用電子顯微鏡分析碳膜時，就觀察到富勒烯的洋蔥狀結構，1991 年他又發現了奈米碳管，可惜與諾貝爾獎無緣。後來科學家也又陸續發現由更多的碳原子組成的球狀、橢圓體、管狀等各種不同立體結構的富勒烯，而其中球狀的富勒烯也簡稱為「巴克球」。

富勒烯具有獨特的化學和物理性質，例如奈米碳管的強度比鋼高一百倍，密度卻只有後者的 1/6，可作為太空電梯的纜繩。隨著奈米科技日漸成熟，可以預見各種富勒烯將在材料、光電、及醫學等不同領域，展現以往難以想像的發明與應用。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。