先別管3C科技了，讓我們來聊聊科學吧！

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

（本文同時刊載於 dr. i 部落格 Facebook）

一個平凡的下午，工作累了捧著一杯剛煮好的咖啡走到陽台，看到的是對面大樓外牆排列得井然有序的長方形窗戶，和陽台邊的柵欄，一樣是有規律地重複著同樣的間隔。環顧我們的生活空間，好像規律性的結構無所不在，例如樑柱、磚瓦和地磚等等的各種人造物體，很容易地讓人誤以為只要是有規律的結構，一定就是人造的。而大自然中難道就不存在這樣的規律嗎？其實有的，最典型的例子就是晶體（Crystal）。

什麼是晶體？講講生活中常見的例子很多，料理中常用到的糖和鹽都是晶體，還有金屬、水晶和寶石等等。

意外發現不凡的晶體

一般人認為，晶體是所有固體最基本的特徵，並且是由「原子或分子按照一定的週期性，在空間排列成具有一定規則的幾何外形的固體。」至少很多教科書都還是這麼寫著。

但是在1982年的一項發現，顛覆了這個說法，而這個發現就是「準晶體（Quasicrystal）」。

1982年四月的一天早晨，當時在美國標準技術研究所（NIST）客座研究的以色列籍科學家丹.舍特曼（Dan Shechtman）在實驗室中用晶體學觀測鋁錳合金時，發現了一個不可能出現的繞射圖（圖2）。繞射圖是材料學家常用的一種技術，他們用高能量的光線像是X射線或是電子束照在晶體上，當這些光線穿透過晶體後打在螢幕上，所得到的就是晶體繞射圖，而分析它就能夠得知這個晶體的型狀和結構。

話說回來，為什麼舍特曼所觀察到的繞射圖不可能出現呢？因為長久以來，科學家認為晶體必須要是有週期性地排列，才能延續性地填滿整個平面或空間，而如圖3所示，某些幾何形狀像是五角形是不可能週期性地排列，所以被認定無法成為晶體。而舍特曼在實驗室裡看到的繞射圖顯示晶體擁有五角形的對稱性，正是先前科學家認為不可能存在的晶體結構。

舍特曼十分瞭解這個發現所蘊涵的意義，當下很興奮地從實驗室衝到外面走廊上，找人想要分享這個天大的消息，但是走廊上空無一人，他只好再乖乖地回實驗室做進一步地確認。接下來不管他用什麼方式去確認，證據都確實顯示了這個突破性的發現。

 排山倒海而來的質疑

若你以為科學界會因為舍特曼的發現而歡聲雷動，那可就大錯特錯。當時所有科學家都強烈斥駁他的實驗結果，很多人第一時間斷定是實驗出錯才有可能得到這個結果。

而接下來兩年的時間，他不斷辛苦地捍衛自己的實驗結果，並持續承受其他科學家包括同事們的批評甚至輕蔑，嚴重到當時研究機構的負責人將他趕出團隊，認為整個團隊因他而蒙羞。另一位強烈的反對者是鼎鼎大名的物理學家，並且得過諾貝爾獎兩次的萊納斯.鮑林（Linus Pauling），他到死前都公開嚴厲地反對特舍曼的研究主張。

一直到兩年後，才陸續有科學家願意接受他的發現，並提出佐證。後續研究顯示，原來該晶體的結構跟另一種數學家所發現的結構相同，叫做「潘洛斯圖案（Penrose Tiling）」（圖5）。

準晶體的特性

潘洛斯圖案（圖5）是由英國劍橋大學的數學物理學家羅傑.潘洛斯（Roger Penrose）所發現。這個圖案有什麼樣的特性呢？其中很重要的就是它的對稱性。

這個世界所存在的對稱性分為三種，第一種對稱是所謂的「平移對稱（Translational symmetry）」，就是把一個圖案往某方向直線移動，如果它能和原來的圖案重疊，我們就說它有平移對稱性。除了平移對稱外，還有「旋轉對稱（Rotational symmetry）」和「鏡像對稱（Reflection Symmetry）」，前者是指你可以對著某中心旋轉圖案某固定角度，它能和原來的圖案重疊，而後者是指將圖案對著一條線對折後，圖案可以重疊。所有的對稱都可以用這三個項目來分類。

很特別地，潘洛斯圖案具有「五角形旋轉對稱（5-fold rotational symmetry）」和「鏡像對稱」，但是卻沒有「平移對稱」，也就是說它沒有一般科學家對於晶體所要求的週期性。這個圖形全由兩種菱形不斷地拼接而成，而且如果有人在一個固定面積裡數這兩種菱形的數目，它們的比例會剛好趨近於著名的「黃金比例（Golden Ratio）」。

舍特曼的實驗終於漸漸地被世界各地的科學家重複，並找到相同的結論。事實上很多人曾經觀測到它，但是卻因為不相信自己實驗的結果而放棄深入追究，所以這也告訴了我們相信自己的實驗是多麼重要。

後來科學家們不只驗證了舍特曼是對的，他們更發現了自然界中更多種合金材料有著相同的結構和對稱性，為了有別於以前傳統科學家對於晶體所下的定義，他們稱這種非週期性的晶體為「準晶體（Quasicrystal）」。科學家並發現，有擁這種結構晶體的合金材料特別堅硬。

這個革命性的發現改寫了所有的教科書。1992年國際晶體學協會把原先對於晶體的定義：「一個由原子、分子或離子，規律且重複性排列所組成的三維圖形」正式改為「任何具有干涉條紋的固體（Any solid having an essentially discrete diffraction pattern）」。舍特曼也因此在2011年獲得諾貝爾化學獎。

藝術與設計

造型和結構均是藝術和設計中不可或缺的元素，不管藝術家對什麼結構有興趣，它一定也被科學家研究過，反之亦然。因此，常常會看到晶體在藝術作品中出現。準晶體特別的對稱性讓它看起來不規律，但其中又暗藏著規律，是很多藝術家或設計師喜歡的圖案，也可以說是科學和藝術交匯的最佳範例。

台灣也看得到由準晶體所啓發的藝術作品。dr. i 今年（2014）在台北信義區的五星級飯店「寒舍艾美酒店（Le Meridien Taipei）」(台北市信義區松仁路38號) 內的一樓大廳，完成了一項動態光雕作品《潘洛斯之夢》，歡迎有興趣的讀者可以前去觀賞！

作品說明：「藝術家以英國天文物理學家羅傑.潘洛斯的潘洛斯圖案為發想，特地為台北寒舍艾美酒店量身設計的動態光影裝置。畫面由兩種平行四邊形所組成，圖案的律動與組合無限延伸，呈現科學與藝術的跨領域交匯，以及藝術家對宇宙間美麗定律的探索。」

參考文獻：

1. The Nobel Prize in Chemistry 2011
2. N. G. de Bruijn, “Algebraic theory of Penrose’s non-periodic tilings of the plane”, Mathematics, Proceedings A 84, 1, (1981)
3. A. L. Mackay, “Crystallography and the Penrose pattern”, Physica 114A, 609, (1982)

（本文同時刊載於平面藝術報《花開 HAGAI》創刊號 2014.4 與 dr. i 部落格）

「越前瞻的科學，越接近藝術；越先進的藝術，越接近科學。（The further art advances the closer it approaches science, the further science advances the closer it approaches art.）」這句由二十世紀美國的名建築師和發明家巴克敏私特.富勒（Buckminster Fuller）的口中講出來的話，對一般人來說似乎是一件很難體會的概念。這麼說，儼然就是在把「科學家」和「藝術家」兩者之間劃上等號。「不可能吧？」我看到了你腦中徘徊的字眼。

讓我們從歷史中找尋這個道理的蛛絲馬跡。首先，將時間倒轉回西元1687年，英國物理泰斗牛頓在他的鉅著《自然哲學的數學原理》中，寫下了「慣性定律」即：「靜者恆靜，動者恆動」；這彷彿是在和早他兩千年的希臘哲人亞里士多德對話，因為亞里士多德對物體的運動學提出過很多理論，那是一個科學和哲學密不可分的時代。再到十五世紀文藝復興時期，看著達文西勾勒出《蒙娜麗莎》的微笑，同一位藝術家也發明了直升機、機關槍、機器人和計算機等等的概念，更別提他那極為寫真的手繪人體解剖圖，好像說著說著，他又像是位科學家，那麼到底這兩者之間的關聯在哪裡？

從實際的角度來說，科學和藝術的發展，均從對生活周遭事物的觀察為原點，形成抽象的概念，而從抽象到具象的實現過程是「技術」，不論是用數學方程式或玻璃試管，還是石雕或顏料，一邊叫做工程，另一邊叫做工藝，因此兩者在活動的本質上其實非常相近。若坐上一艘船跟著時代的洪流順勢而下，我們會看到科學和藝術在起源點是一體的；然而隨著人類文明的演進，兩者並行地發展，經過不同時代和天才們的洗禮和累積，什麼時候它們開始變成互不相干的兩個領域？一顆完整的大腦硬是要被強調是左腦主宰或是右腦主宰，彷彿一個人要被切成半個人似的？

這個分水嶺其實發生在不久前的工業革命時期，科技變成了賺錢的工具，為了講求量產和效率，整個社會甚至世界變成了一個巨大的生產線，每個人被分配成為一個單一性質的角色，教育訓練也自然漸漸單一化，於是乎我們都變成了半顆腦袋的動物，科技逐漸遠離了人性。

當然，在大夥兒吃飽飽的情況下，很少人會去反思這個問題。但是，過去的二十年間全球的經濟體經歷了許多次震撼性的打擊，由金融機構在背後支撐的這個生產線社會崩壞，我們不由得重新檢視人與科技的關係。

眼前的我們正處於一個很令人期盼的時代，能夠目睹科學、科技、藝術和生活的再次結合，近期國內也開始掀起了一股跨領域旋風。科技藝術的成形不只是一種流行，而有人類未來生活之必要性。