【Gene思書齋】我也想知道我不知道什麼…

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

• 文／陳子翔（現就讀師大地球科學系，EASY 天文地科團隊創辦者）

「WTF！這是什麼鬼？」大概就是不久前一群天文學家在電波觀測資料中發現下圖物體的反應。

圖片中央用藍綠色表示的圓形天體就是用電波望遠鏡拍攝的 ORC1，背景中的星系則是用可見光望遠鏡拍攝，並將影像疊合而成此圖。

天文學家表示，圖中可以觀察到 ORC1 中央有一個橘色的星系，但目前無法確認此星系與 ORC1 是實際上相關的天體，還是是兩個距離相差很遠的天體單純在視覺上疊在一起。

讓天文學家摸不著頭緒的怪東西

事情是這樣的，2019 年底，天文學家們在電波望遠鏡的觀測影像中，發現了一個神祕的環形物體，更有趣的是，經過仔細檢視比對與討論後，這群天文學家對於這個奇怪的物體究竟是什麼卻仍然摸不著頭緒，在困惑驚訝之餘就將它特別標示起來，還留下了「WTF」的註記。

不僅如此，經過檢視更多的觀測資料，他們還發現了好幾個類似的物體，代表這個身分不明的怪東西並不是絕無僅有的特殊案例！而天文學家也暫時將它們命名為「Odd Radio Circles」或縮寫成「ORCs」，也就是「奇怪電波圓圈」的意思。

找到未知神秘天體的興奮

想像一下，當一群天文學家，或是任何領域的科學家找到了某種未知的新東西，會有什麼反應呢？第一個反應大概就是「我好興奮呀！」而ORCs 的發現也不例外。「這真的是任何一個天文學家的夢想：在你的職涯中找到從來沒有人發現過的東西。」ORCs 發現團隊中一位天文學家在受訪時說道。

發現了暫時無法解釋的新東西，那是不是代表這群天文學家可以像阿基米德一樣大喊一聲「Eureka」，然後向大家宣布這就是一種全新天體了呢？等等，事情可沒這麼簡單呀！

網路上有「假訊息」，電波天文影像可能有「假訊號」？

要釐清 ORCs 可能是什麼，就像是面對選項超多的選擇題，當對於正確答案沒有頭緒時，至少可以先刪除比較不可能的選項，同樣的在「了解 ORCs 應該是什麼」之前，天文學家們也得先從「ORCs 應該不是什麼」下手。

首先第一個要檢視的是，這些在影像中的東西是「真的」嗎？

咦？啊不是都已經在影像中看到了，眼見為憑還可能是「假的」嗎？

沒有錯，其實要得到一張電波望遠鏡拍出的影像，並不是像我們平時拍照一樣按個快門就馬上可以看到照片的，電波望遠鏡在接收訊號後所得到的觀測資料並不是直接可用的影像資料，因此天文學家拿到一手的資料後，還必須透過電腦進行相當複雜的處理程序，而處理程序中天文學家也必須輸入適合的各項參數讓電腦進行運算，最後才能得到影像成果。

也由於望遠鏡接收到的訊號需要到電腦進行最後運算，這些過程中只要有什麼步驟出了問題，或是在軟體上出現的 Bug，都可能造成最後得到的影像不正確，也因此可能跑出「假訊號」。

為了避免假訊號的錯誤判讀，電波天文學家常常會利用「將同一筆資料給不同團隊處理」以及「用不同的電波望遠鏡，觀測同樣的天體」，交叉比對就可以大大降低誤判假訊號的可能性。例如家喻戶曉的 M87 黑洞影像，就是分別將觀測資料交由三支不同的團隊來處理喔！

而在這次 ORCs 的案例中，這支團隊也已經使用三個不同的電波望遠鏡陣列進行觀測，結果都觀測到了 ORCs 的存在，也因此能初步排除「假訊號」的可能性了。

抽絲剝繭調查ORCs的真面目，結果帶來的是更多的疑問

排除掉假訊號的可能後，下一個可以著手的就是確認 ORCs 有沒有可能是某種已知種類的天體。

ORCs 有幾項特徵，首先，它們的形狀是接近圓形或環形的，而且像是某種星雲。此外它目前只在電波觀測資料中被看見，也就是說像是哈伯太空望遠鏡這種以可見光或紅外線、紫外線等等波段的望遠鏡，目前是沒有觀測到 ORCs 的。在位置的分布上，ORCs 則主要分布在銀河盤面外（恆星數量較少）的位置。

而根據這些特徵天文學家就可以列出並檢視 ORCs 可能是什麼的候選者。例如超新星爆炸後的殘骸、恆星誕生速率超高的「星爆星系」(Starburst Galaxies)中，恆星集團產生的電波輻射，以及因前方大質量天體扭曲後方天體光線路徑產生的「愛因斯坦環」(Einstein rings)，都是可能的選項，但這些選項目前也都已經根據 ORCs 的各項特徵被初步排除掉了。

還有另外一個令天文學家難以判斷 ORCs 成因的因素，是目前我們還不知道這些 ORCs 的距離有多遠。而無法知道距離就無法知道 ORCs 實際在宇宙中倒底有多大。如果ORCs是銀河系內的東西，那它們可能數直徑數光年大的天體，但如果 ORCs 是存在於銀河系外其它星系的周邊，則 ORCs 就會是直徑數十萬光年大的天體，這大小可差了十萬倍呀！

總之，目前我們還是不知道 ORCs 到底是何方神聖，雖然天文學家們已經初步刪去了許多可能的選項，但對於 ORCs 的成因推測也還沒有收斂的明確方向。而 ORCs 究竟會是什麼？而它們的發現又有沒有可能在未來改變一些我們對宇宙的認識呢？就讓我們抱著好奇的心繼續看下去吧！

參考資料

1. ‘’WTF?’: newly discovered ghostly circles in the sky can’t be explained by current theories, and astronomers are excited
2. Norris, Ray P.; et al. (26 June 2020). “Unexpected Circular Radio Objects at High Galactic Latitude”
3. First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole