手槍蝦的閃光音爆槍!

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

小小身軀能發出威力無比強大的巨響

有些動物會利用空蝕現象來捕抓獵物或抵禦攻擊者，鼓蝦（Pistol Shrimp）是最好的例子。這種 5 公分長的蝦科動物也被稱為手槍蝦，只因為牠會把敵人打倒。

牠可以用那對手槍螯發出比噴射機還大的聲音，大約是200 分貝，這讓牠成為世界上聲音最大的動物。小動物聽到會昏倒，較大的攻擊者也會迅速逃跑，就算是潛水艇的聲納設備也會被破壞。手槍蝦之所以能發出這麼大的聲音，是因為空蝕現象，牠會忽然用力合上手槍螯，朝攻擊者射出一股水流，這股水流後面會形成水蒸氣，並隨著一聲巨響而內爆。

有趣的是，手槍蝦可能根本就聽不到大爆炸的聲音。研究人員沒發現蝦子具有聽力器官，這點也許對瘋狂大爆炸會更好。

除此之外，手槍蝦不只會用螯產生轟雷聲，還會產生閃電，當空氣泡內爆時，會釋放很多能量，所以會出現「聲致發光」（Sonoluminescence）的現象，也就是當液體受到強烈壓力波動時，所發出的光效應。可惜的是，人類無法用肉眼看到閃電，但如果你可以利用相機超慢動作動態攝影的功能來拍攝手槍蝦，這樣就能看到聲致發光的現象。這看起來真的非常不可思議！發現這種效應的人非常高興，甚至將這效應稱為「蝦發光」（Shrimpoluminescence）。

總而言之，手槍蝦是種非常迷人的動物，可以單獨替牠寫出一整本書，私底下牠也是很喜歡社交的，喜愛和小魚或海葵一起生活，也經常和帶條紋的蝦虎魚一同住在山洞裡。

手槍蝦會整天待在洞裡，沒有敵人來襲時蝦虎魚會在洞口游來游去，但要是有章魚在附近游來游去，蝦虎魚就會飛快游回洞穴，並害怕發抖，然後就是手槍蝦表現的時候了，牠會衝出山洞，伸出螯砸向攻擊者。

如果牠在戰鬥中輸了，把螯弄斷了，牠只要修復自己就好了，另一邊的正常螯還是可以攻擊，而斷掉的螯會再重新長出來。

船艦該如何克服空蝕現象

手槍蝦那麼強大的自癒力對「勇敢號驅逐艦」這種艦艇來說當然不可能有。

1893 年，艦艇上的工程師不得不在這裡與有破壞力的空蝕作用鬥智，他們成功了！這艘艦艇沒有轉動很快的大螺旋槳了，而是幾個較小的螺旋槳，功率也稍小，這樣水流就沒有那麼快，空蝕現象也減少了。

就這樣，這艘船艦最後能以 32 節的速度出海航行，在 19 世紀末，這個速度的確非常快，報紙終於稱它為「世界上最快的船艦」，工程師們對此感到很滿意。

後來，他們只改變了一件事，就是在船頭安裝了一個魚雷發射管，可以朝敵方艦艇射擊。但這後來被證明是不切實際的，因為「勇敢號驅逐艦」現在的速度超級快，根本已經有可能超過它自己魚雷的速度了。

這已經是一百多年前的事了，現在有許多巧妙的解決方法，可以保護船隻免受空蝕現象損壞。

有些螺旋槳的設計會讓空氣從它的邊緣流出去，那些小氣泡的作用就會像阻尼器一樣，當水在螺旋槳後面流動過快且壓力過低時，氣泡就會膨脹，進而防止形成空氣泡。這個技術對軍艦也很有用，因為可以讓船艦變得更安靜，就如同我們從手槍蝦身上知道的那樣，氣泡破裂的聲音非常大，這樣會害船隻被敵人的聲納定位到。

——本文摘自《神奇物理學：從重力到電流，日常中的科學現象原來是這麼回事！》，2022 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

2015年即將結束，讓我們一起來看看由自然《Nature》選出的年度精選照片吧！

爬蟲類大對抗

別以為你在看侏儸紀世界！這是兩隻科摩多巨蜥（Komodo Dragon）為了爭地盤而決鬥的畫面。科摩多巨蜥生長在印尼，是現今體型最大的蜥蜴，平均體長可達2至3公尺，以肉食及腐食為生。由於科摩多巨蜥分泌的毒液會阻擋獵物凝血，造成獵物失血過多死亡，所以牠們會放走咬過的獵物，然後只要在背後偷偷跟蹤，食物就能手到擒來。這張展現野生動物決鬥的照片是2015年野生動物攝影師大賞的（Wildlife Photographer of the Year ）的決選作品。

看得見的音爆

我們都知道當鴨子划過水面的速度大於水波的速度時，鴨子會在水面產生一道道美麗的漣漪。但你看過這樣的音爆場面嗎？這架美國的噴射機以超音速飛行在莫哈韋沙漠上空，位於噴射機上方的另一台美國太空總署的飛機捕捉了噴射機劃過天空的產生的衝擊波。光經過不同密度空氣的折射現象其實是很難被觀察的，但透過1864年德國科學家August Toepler發明的紋影攝影術（schlieren photography），我們能將音爆的效果完美呈現。

奇幻的麥哲倫雲

這可不是甚麼汙染河面的空拍圖XD，而是普朗克衛星捕捉微波及紅外光，計算後得到的麥哲倫雲。圖中較大片的褐色區塊為大麥哲倫星系（ Large Magellanic Cloud），左下角較小的褐色區塊則為小麥哲倫星系（ Small Magellanic Cloud ）。這兩個星系屬於沒有旋渦、橢圓等結構的不規則星系，並可能環繞著我們生活的銀河系。

象鼻蟲的大頭照

「哈囉～你在看我嗎？你可以再靠近一點！」這是一隻棉子象鼻蟲（boll weevil, Anthonomus grandis），頭部僅有幾釐米寬，長長的、延伸出來的不是鼻子，而是用來覓食的口器。這張Wellcome Image Awards的得獎作品，利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope），清楚呈現象鼻蟲的頭部特徵。

大自然裡也有粉紅龐克！？

原文是用令人恐懼（ eerie）去形容圖中像骷髏的物體，但我覺得它們笑得蠻可愛的啊╰（￣▽￣）╭。哎呀～回歸正題，這是由David Maitland拍攝的紙紗草（papyrus plant, Cyperus papyrus）維管束切片200倍放大影像。維管束組織負責傳輸養分及水分，是維管植物裡很重要的角色，不只可愛而且還很有用呢！

病毒蔓延中

這是一張大病毒的3D影像（ large virus，其宿主為後棘狀阿米巴變形蟲（Acanthamoeba polyphaga）），由數百張的2D影像疊圖而成。但科學家究竟是如何知道物質的三維結構呢？答案是，X光繞射（X-ray diffraction）。由於單一分子的繞射行為並不明顯，科學家唯有將待測物結晶，透過大量重複單元的晶格繞射結果，才得以了解待測物的結構。因此養晶、解結構，仍是目前最直接證明合成出目標分子的方法。可是…養晶是門藝術啊（倒～～）！生物大分子的結晶尤其困難。好消息是X光自由電子雷射器（一種高強度的脈衝X光）的出現有望解決這個困難，讓科學家不用養晶也能知道單一分子的結構！

太空泡泡

這團「雲啊~霧啊」的太空泡泡是行星狀星雲－南貓頭鷹星雲。當恆星進入生命晚期，其向外膨脹的氣體被電離後產生發射星雲，即為行星狀星雲。 此照片由智利的甚大望遠鏡（ Very Large Telescope）拍攝。

「冥王星，你好!」

2006年發射的新視野號，這幾年來不斷傳回大量的影像和資訊回地球，然而直到2015年，這張當新視野號最靠近冥王星時所拍攝的冥王星影像才真正地驚豔了大家。照片中太陽光清楚地勾勒出冥王星的輪廓，顯現了她孤冷（表面溫度44 K）的氣質。期待新視野號能帶領我們繼續發現太陽系的其他秘密。

快閃一瞬間

這張照片利用長時曝光的攝影技術，清楚地捕捉到了閃電！對於大部分的人來說，雷電交加是件很可怕的事；然而對於位在美國佛羅里達的國際閃電研究及測試中心（International Center for Lightning Research and Testing）而言，這些我們害怕的事物，卻是他們感興趣的對象。他們設計並實際探討火箭穿透風暴後觸發的閃電現象。

「膚淺」的人體影像

這張彩虹斑點的人體照片，顯現了在人體最大的器官－皮膚上的化學物質及微生物。圖中色彩越趨近於紅色代表此處的分子多樣性越高，反之，藍色代表多樣性低。聖地牙哥大學的Pieter Dorrestein及其團隊徵求兩名志願三天不洗澡的健康受試者，採取他們皮膚上約400個位置的樣品，進行質譜及DNA定序的分析，最後利用超級電腦彙整了大筆的數據並繪製了這張圖。

生生不息

這張滿布屍首的照片呈現了禿鷹的日常生活！禿鷹以屍體為食，很少主動攻擊動物。牠們的胃酸有很強的腐蝕性，因此即便吃下被細菌感染的食物，也不容易生病。這畫面或許看起來有點陰森，然而禿鷹的攝食習慣，其實在生態系統的健全發展中扮演很重要的角色。

加州大火

今年8月克里爾雷克（ Clearlake）的火災照片。人稱「金州」的加州這四年來飽受乾旱之苦，野生動物的生存受到了威脅，各地區更是火災頻傳。

火星上有水！？

「火星上究竟有沒有水？」一直是天文學家好奇的問題。現在，他們用這張火星上的隕石坑－火山口加尼上的照片證明火星上真的有水在流動！圖中黑色條紋的部分表示火星表面有含水的礦物質，且條紋的分布會受季節影響，推測和水的流動有關。這項研究仰賴高解析度成像科學設備（High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE），並希望後續的結果能讓我們對於宇宙生命的發展有更進一步的了解。

一口氣看完了那麼多精彩的照片，你是否更想了解其背後的故事呢？別擔心，泛科學早就為好奇的你準備了許多相關報導，祝大家有個收穫滿滿的2015喔！

• 驚！火星上有水！
• 冥王星你好
• 獸藥，救了牲畜卻殺了禿鷲
• 加州乾旱、臺灣沒雨，與氣候變遷有關嗎？
• 透視麥哲倫雲
• 島嶼上的瑰麗珠寶—球背象鼻蟲
• 衝啊！音速小子—淺談音爆及光爆

 參考資料：