磁性、超導性共存的新材料開啟新的可能性

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

鐵電性（ferroelectricity）材料是製造次世代非揮發性（non-volatile）記憶體的基礎，而記憶體的密度極限取決於鐵電性究竟能在多小的尺度下存在。最近美國科學家研究了碲化鍺（GeTe）與鋇鈦氧化物（BaTiO3）內鐵電形變的分佈情形，證實低至數奈米的大小仍可見鐵電性存在。根據此結果，次世代非揮發性記憶體每平方英寸的儲存容量可望高達數兆位元。

鐵磁（ferromagnetic）材料具有永久磁偶極矩，可藉由外加磁場使其轉動。相對地，鐵電材料具有永久電偶極矩，可利用電場控制極矩方向，這個特性讓科學家得以將數位電訊號儲存在鐵電薄膜中，因此開拓了一個新的元件應用舞台。

這項由勞倫斯柏克萊國家實驗室與加州大學柏克萊分的Paul Alivisatos與Ramamoorthy Ramesh領導的團隊所完成的研究，目的是探討穩定鐵電排列的最小尺寸極限，以及在此極限下所呈現的形式。先前的研究認為隨著尺度變小，造成鐵電性的原子位移會完全消失或變亂，或者以渦流態排列的形變出現。此團隊的研究結果卻顯示在單一疇區，中局部原子位移大致仍保持線性排列，因此仍有淨電極化存在。換言之，有用的鐵電性質（包含極化開關與壓電特性）在只有幾奈米的尺度下依然維持存在。

該團隊分析了碲化鍺與鋇鈦氧化物奈米微晶內的鐵電有序。前者是鐵電半導體，後者則為典型的鐵電氧化物。他們先以電子顯微鏡直接觀察個別粒子中與鐵電性有關的結構形變，接著對整體粒子進行原子對函數分佈分析（atomic pair distribution function analysis）以求得這些形變間的關連性，然後再以電子全像術（electron holography）直接拍攝此鐵電極化，並測量了單一奈米微晶的壓電滯留曲線（piezoelectric hysterisis）。

研究結果顯示，由鐵電奈米微晶製作的非揮發記憶體的資料儲存密度將可能高達每英寸數兆位元。此外，此材料未來亦可應用於奈米機電系統（NEMS）中，作為壓電致動器及傳感器（transducer）等。該團隊目前想要探討理論預測的渦流極化態是否能穩定存在這些奈米微晶粒子中。詳見Nature Materials｜DOI:10.1038/nmat3371。

譯者:孫士傑（高雄大學應用物理系）
責任編輯:蔡雅芝

資料來源：Nanocrystals go ferroelectric. NanoTech [Aug 30, 2012]

轉載自 奈米科學網

今日某些物理學家正在研究將分子磁鐵（molecular magnets）當成未來量子電腦之資訊儲存單元使用的可能性。就分子結構來說，分子磁鐵是那些磁矩偏好朝特定軸向排列的分子。其所擁有的電子自旋結構可經由磁力調整出一種以上的狀態，且在低溫時，即使在缺乏磁場的情況下，依然可維持這種狀態，這可能使它們被用於資訊儲存上。

現在一個來自英國的研究團隊已證明，在不同的磁性狀態間，量子力學相位的疊加可持續超過 15 微秒，使其自旋態因解同調（decoherence，走調）而失去其資訊前，能反覆切換。在分子磁鐵作為 qubits（量子位元，量子電腦的元件）的實用性上，這項發現為其平添佐證。

來自牛津大學與曼徹斯特大學的研究者，C.J. Wedge 等人，已將他們「如何利用化學方法修改分子 qubits 以增加其相位記憶時間」的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。在這之前，研究者已達成 3.8 微秒的相位記憶時間（phase memory times），而其他分子磁鐵系統研究所產生的（記憶）時間都在 1 微秒的時間尺度上。

“相位記憶時間與同調時間是非常類似的概念，” 牛津大學的共同作者 Arzhang Ardavan 表示。”（長相位記憶時間）意味著，當量子資訊消失前，有可能操縱 qubit 許多次。那意義重大，但我們亦樂見能精確控制分子結構的可行性，以及能測定各種解同調機制，並盡我們所能來減少它們。”

在他們的研究中，研究者聚焦在 Cr7Ni 分子磁鐵上。他們之前證明這種分子所擁有的同調時間遠超過操縱單一 qubit 所需要的 10 奈秒。在此，他們採取下一步驟並研究分子磁鐵解同調（原子核自旋擴散 (nuclear spin diffusion) 與頻譜擴散 (spectral diffusion)）的特定來源，以及如何優化結構以便盡可能地延緩解同調。

為了辦到這件事，研究者改變二種關鍵要素（某些陽離子與配位基），藉此比較不同的 Cr7Ni 結構。他們特別研究，在低溫下不同的結構維持其自旋態的能力有多好，那以結構的相位–同調性鬆弛時間（phase-coherence relaxation time）來測定。研究者發現，優化修改過的 Cr7Ni 分子磁鐵能有超過 15 微秒的相位記憶時間，那比操縱單一 qubit 所需要的時間多了幾個數量級，而且明顯比先前的證明還要更長。

研究者預測，這些結果將導致在分子磁鐵簇內操控量子態的能力。他們計畫在未來更進一步研究操縱分子磁鐵的方法。

“我們將驗證各種可能性，” Ardavan 說。”我們研究這些分子之化學性質的同僚能夠合成合併數個耦合分子磁鐵的結構。我們將利用這類分子來研究簡單的多 qubit（multi-qubit）演算法。”

“最近，有人在理論上提出，電場能用來操縱分子磁鐵的磁性狀態，” 他補充道。”我們正透過實驗來驗證這些可能性。”

原始文獻:C. J. Wedge, G. A. Timco, E. T. Spielberg, R. E. George,
F. Tuna, S. Rigby, E. J. L. McInnes, R. E. P. Winpenny,
S. J. Blundell, and A. Ardavan.
Phys. Rev. Lett. 108, 107204 (2012) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.108.107204

資料來源:PHYSORG:Researchers engineer molecular magnets to act as long-lived qubits[March 21, 2012]

轉載自only-perception