有伴的老行星，生命能生存的機會也增高

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

加熱食物的無線電箱子：微波爐

這種箱子用一種無線電波加熱食物。無線電波讓東西裡面很小很小的水滴搖動，愈搖愈快。當東西裡的很多小水滴都搖得很快， 東西就變熱了。如果讓很強的無線電波穿過水，水會變熱。 有了加熱食物的無線電箱子，你就可以買冷凍食品，在冰箱冰很久，要吃的時候，再用箱子加熱，把冰熔化。這對沒有時間煮飯的人很方便。你也可以用無線電箱子加熱新鮮的食物（例如魚） 做成各種菜，就跟用廚房其他加熱工具做菜一樣。不過用這種箱子做菜沒那麼簡單，尤其是煮肉時要小心一點。

無線電波

這種無線電箱子使用的電波，波長跟家裡電腦的無線網路「熱點」一樣。其實不同種類的無線電機器使用的電波波長都不一樣，但這兩種卻用完全一樣的波長，這是有原因的。 就在加熱食物的無線電箱子愈來愈普遍的時候，用無線電傳送資料的設備也開始變多。由於當時家家戶戶都已經在使用這種無線電箱子，各國決定把箱子用的波長（大約是手掌寬）開放，讓每個人都可以用。於是制定無線網路的人就用了這個波長，因為這是大家都能在家使用的少數波長。 如今全世界電腦傳送資料使用的波長，跟加熱食物的無線電箱子一樣。這不會有問題，除非你的無線電箱子有破洞，那你在加熱食物時，電腦上的影片可能就停了。

為什麼變熱的食物裡面還有冰？

無線電箱子很會把水加熱，對冰卻不大行。箱子可以加熱冰，但是要花很久的時間。 當你把冷凍食品放進無線電箱子加熱，過一會兒後， 有一部分開始變成水。因為無線電箱子很會把水加熱，這些水很快就變得更熱，甚至在冰還沒完全融化之前，這些水就變成水蒸氣了。 要避免這種情形，你可以把無線電箱子的強度調小一 點，這樣加熱過程中會有很多次暫停，因此有多一點時間讓熱傳送到其他部位，就不會有些地方特別燙了。

• 從上文知道微波爐是靠著無線電波讓水滴搖動、使得食物被加熱，但你曾想過微波爐中的無線電波的分布狀況嗎？

本文摘自《解事者：複雜的事物我簡單說明白》，天下文化出版。本書獲選為泛科學 2016 年 11 月選書。

一組歐洲天文學家發現一個非常古老的行星系統，極可能是從130億年前宇宙極早時期就已形成並留存至今的。這個系統包含母星HIP 11952和兩顆行星，這兩顆行星的公轉週期分別為290天和7天。雖然行星通常在含有金屬元素（metal）比較多的雲氣中形成，HIP 11952卻鮮少含有金屬元素；因此HIP 11952行星系統的發現，顯示在早期宇宙金屬元素豐度仍很低的時期，就已經可以形成行星，和現今宇宙內如我們太陽系這樣的行星系統相當不同。

所謂的金屬元素，泛指除了氫與氦兩種宇宙誕生之初就有的元素以外的其他所有元素，又稱為「重元素」。

現行公認的行星形成理論認為行星是在年輕恆星周圍、由氣體和塵埃組成的拱星盤中形成的。但若要探討形成的細節，這個理論就會產生諸多問題，其中一個問題就是：致使氣體塵埃開始聚集形成行星的真正原因為何？

天文學家現在已經在太陽系以外的地方，至少確認750顆恆星擁有一顆以上的行星，且發現這些行星系統的環境差異頗大，但也存在某些特定趨勢，例如：經統計，含有較多金屬元素的恆星，較可能擁有行星。這個現象引出了一個關鍵問題：宇宙誕生之初幾乎不含有任何氫與氦以外的金屬元素，金屬元素是經由一代一代的恆星演化，經由恆星內部的核融合反應或是經由超新星爆炸而產生，之後再回歸到宇宙空間，成為下一代恆星的製作原料；因此愈古老的恆星金屬豐度愈少，愈靠近現今宇宙的恆星則含有比例較高的金屬元素。若按現行的行星形成理論，那麼在宇宙早期，幾乎沒有金屬元素的狀況下，是幾乎不可能形成行星？還是應該可以形成行星，所以下一步應該是要好好想想第一代行星會在何時形成？

德國普朗克天文研究所（Max-Planck-Institute for Astronomy）Johny Setiawan及慕尼黑天文臺（University Observatory Munich）Veronica Roccatagliata等天文學家從數年前開始進行一項研究計畫，搜尋貧金屬星（metal-poor star）可能含有的行星系統，結果發現其中一顆貧金屬星HIP 11952，擁有2顆氣體巨行星HIP 11952b和HIP 11952c。HIP 11952在鯨魚座方向，距離地球約375光年。這兩顆行星本身相當普通，與其他已知的氣體巨行星並無啥大不相同之處；它們的不平凡之處在於它們的母星是顆「極貧金屬星（extremely metal-poor star）」，換言之，是顆非常古老的恆星。

Roccatagliata等人其實在2010年時就發現一顆貧金屬星HIP 13044有行星系統，當時他們還覺得應該是特例。但在HIP 11952如此金屬豐度更貧乏的恆星周圍也發現行星之後，他們開始改觀，認為或許貧金屬星擁有行星是相當普遍的現象。HIP 13044之所以有名，是因為它是「從其他星系來的系外行星系統」，這顆星位在一道星流（stellar stream）中，而這道星流是約數十億年前被銀河系吞噬的另一星系的殘骸。（請參考天文新知2010-11-20 首度發現來自銀河系外的系外行星）

和其他系外行星系統相較之下，HIP 11952不僅僅是極端缺乏金屬元素這項特點而已，還因為估計其年齡高達128億歲，成為目前已知年齡最大的行星系統；而我們宇宙的年齡，估計僅約137億年，所以這個行星系統應該在宇宙還處在幼兒期之時便已形成；而這也意味著，從宇宙誕生至今，任何時期都可能有行星系統形成。這就像在自家後院挖掘出重大考古遺跡一樣，讓眾人莫不興奮不已。這些天文學家打算繼續尋找並研究這類貧金屬恆星旁的行星系統，希望能讓行星形成理論更加完善，並能進一步瞭解生命的起源。

資料來源：A planetary system from the early Universe, [2012.03.27]

轉載自台北天文館之網路天文館網站