[募科學] 〈SciMu科學募資〉九月閱兵報告

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

這一系列文章為 2016 泛知識節「翻牆吧！知識」的活動紀實，我們將當下求知求真地感動盡力留下，想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館，當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧！知識」承襲著泛科學年會的精神與架構，變的是讓更多的知識在這裏碰撞，不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆，現在就讓我們用求知慾翻牆吧！

關於本場次【 擁有全世界最亮的「台灣之光—台灣光子源」，是什麼？要幹嘛？ 】的活動介紹，請參考這裡。

• 講者／陳家祥｜國家同步輻射研究中心助工程師
• 文字紀錄／廖英凱

「光」是人類觀察物體最常利用的方式，除了可見光外，還有許多肉眼不可見的光，統稱為「電磁波」或是「電磁輻射」。在近代科學的發展中，這些光也成為我們觀測自然的利器，例如波長最長的無線電常用來觀測星球尺度的宇宙世界；波長數十公分微波可以觀測大氣尺度的變化；紫外線可以看到分子尺度的結構；X 光則可以研究更小的蛋白質、脂質分子與晶體結構等。

當光線不足時，東西自然看不清楚，讀書還會傷眼睛。不過，如果照來了一道世界最亮的光時…… 難道就會看得更清楚嗎！？這道世界最亮的光，正是位於新竹「國家同步輻射研究中心」內的「台灣光子源（Taiwan Photon Source, TPS）」。它是世界上首屈一指的粒子加速器，在全世界同級機組中，提供了最亮的光源，自 2004 年開始構想、 2010 年開始動工，至 2014 年末發出第一道光。2016 泛．知識節邀請到同步輻射中心的助研究員陳家祥博士，與我們分享這道台灣之光的奧秘與身世。

電影裡的粒子加速器

台灣光子源，是一種透過加速帶電粒子來得到高同調性輻射的加速器。這樣的加速器早已經廣泛應用到生活中，也常常成為影視娛樂的素材。電影《魔鬼終結者 3》中，主角們在一個環型隧道裡躲避機器人的追殺時，啟動了裝置於加速器上的電磁鐵，而電磁鐵擁有的強大磁場，在關鍵時刻將機器人吸住動彈不得，讓主角們得以脫離險境。電影中的這個設定，正是因為粒子被加速到接近光速行進而有很高的能量，需要強大的磁場才能讓粒子轉彎，而加速器中的電磁鐵提供了這樣的強大磁場。在電影《鋼鐵人 2》裡，主角也蓋了一個環形的裝置，在裝置裡兩道強光的相擊下合成了一個新的元素。事實上，這也是粒子加速器可以用作合成人造元素的應用。

在台灣，其實也是有以同步輻射中心、環狀加速器作為背景題材的電影作品。2006 年的一部驚悚電影《詭絲》，劇中就描述了在同步輻射的環狀中心點，正好是磁場匯集之處而能引發靈異現象。不過陳家祥博士笑稱，其實磁場最強的是加速器上的電磁鐵，環狀中心其實是沒有什麼特別磁場的，但也因為這部電影的原因，民眾對於同步輻射中心的詢問度也突然變高了一陣子……

生活中的加速器

雖然影視劇本中偶有出現加速器的蹤跡，但將帶電粒子加速來使用這件事，早就是我們生活中常見的技術。例如早期陰極射線管（CRT）螢幕、電視機，就是利用高電壓的電場將電子加速，再通過聚焦線圈與偏向線圈這兩個電磁鐵，讓電子打到玻璃螢幕上指定的區域。而玻璃螢幕的內側塗佈了磷化物，當磷化物分子吸收足夠能量的電子後，就會釋放出螢光產生畫面。再例如機場中常用來掃描行李裡的 X 光機，也是利用加速後的電子，打到鎢、銀 、鉻等金屬製成的靶材上。當電子受到靶材阻擋而減速時，就會以 X 光的形式放出能量。這種 X 光來自於制止電子運動，因此又被稱做制動輻射（ bremsstrahlung）。

然而這些常見裝置所產生的 X 光，強度僅有同步輻射中心的十萬分之一至百萬分之一，僅能透視大型物體，並沒有辦法用來看到物體的細微結構，也因此我們需要亮度更強、光束更細、更不易發散，並如同雷射一樣具極佳同調性 （Coherence）的光來作為觀測的媒介。同步輻射加速器所產生的光源，正具有這些特性。

同步輻射光

同步輻射光源，是將帶電粒子（如電子）加速到接近光速，再利用電磁場偏轉其方向，便會產生一道沿原本運動切線方向發生的電磁輻射。輻射的波長取決於磁鐵的強度和帶電粒子的能量。不過一道光的強度不見得足夠，此時可利用一系列磁場交錯排列的插件磁鐵，讓帶電粒子在磁場中如蛇行般不斷交錯改變方向。這種每次改變方向所產生的同步輻射，如雷射般具有同調性高的特性，就可以再被導引到實驗站使用。

實驗站中的研究人員會再將同步輻射光照射到待測物上。根據待測物的材質、結構、表面特性等，同步輻射光會再經由反射、繞射、散射與穿透等機制而改變特性。同時，待測物也可能會因為吸收了高能量的同步輻射，而激發出電磁波、帶電粒子與中性原子等。研究人員就可藉由測量這些被同步輻射照射後的產物，來回推待測物的結構與成分。

科學神燈：台灣光子源

1980 年代，時任行政院長孫運璿著手推動新竹科學園區設置與半導體產業發展時，同期也開始規劃同步輻射研究中心。同步輻射研究中心於 1986 年開始動工，至 1993 年 10 月完成了亞洲第一座第三代同步輻射設施「台灣光源（Taiwan Light Source, TLS）」，成為我國在原分子領域、奈米技術、表面與薄膜科技、凝態物理、材料科學、分子生物學…… 等眾多領域的研究關鍵。近年使用人次與計畫數均逐年增加，每年可達一萬人以上的使用人次，然而因使用者眾，且相關技術推陳出新，導致了 TLS 光源不敷使用，亮度也不斷落後其他國家的新建設施。

2001 年起，國家同步輻射研究中心前身「行政院同步輻射研究中心」的指導委員會建議應開始研究新型同步輻射加速器的建造方案。2007 年，行政院同意「台灣光子源同步加速器興建計畫」並在 2009 年正式核定、2010 年開始動土興建、2014 年 12 月 31 日成功發出第一道同步輻射光。

不過，台灣光子源的興建歷程，也讓研究人員們忐忑不安了許久。由於台灣光子源的精準度要求相當高，一圈 518 公尺的軌道，僅能有 25 μm 的誤差。又因腹地不夠寬廣，新舊加速器緊鄰施工導致對工程的要求又更高，陳博士說當時還因此拆了餐廳來取得用地。施工過程中也不安寧，又發現在 14 公尺深處挖到了軟土層，高於法規要求的探測標準10公尺，因而多耗費半年施工，也因此遭監察院糾正。

到 2014 下半年時，距完工時限還有 3 個月，雖然主要設施都已完成，但研究團隊仍無法把電子有效加速。總主持人陳建德院士曾戲稱：如果計畫失敗，核心團隊只好七條白綾以謝國人…… 還好一名工程主管及時找到不斷失敗的原因，主要是真空腔被磁化而吸引電子，造成電子速度被拖慢。但當他們要將真空腔拆下來退火消磁的時候，又剛好遇到年末的尾牙時節，根本而找不到合作廠商。此時中科院的設備也適逢歲修，另外想送到中國的上海光源處理，又因為電子輻射照射的真空腔是管制品而無法出口。好險最終在一個傳產業者的協助之下，在完工時限截止當天，2014 年的最後一天，成功發出了台灣光子源的第一道光。

歷經十年規劃、四年建設，耗資將近 70 億元的台灣光子源，是我國規模最大的跨領域科學研究設施，更是全世界同等規模、同樣電子能量下目前能提供最亮光源的同步輻射加速器。它能帶動多項科學研究領域的發展，也能提供工業產品的研發優化。世界第一的條件更能成為開拓國際合作的優勢。相信這座落在新竹的科學神燈，帶來的不是天方夜譚的希望，而是越發清晰的微觀結構，更加接近的宇宙真相。

「我們搞科研的就是要跟其他人殺到頭破血流，沒有人會記得第二名的！」

編譯／彭琬馨

白天，Emily Temple-Wood是芝加哥羅耀拉大學（ Loyola University）生物系學生，看似平凡的她，目前已經申請到美國中西大學（Midwestern University）醫學院，預計 2016 下半年開始攻讀。晚上的她搖身一變，成為維基百科撰寫女科學家條目的主要作者——特別是每次她收到騷擾郵件時，她就藉由這種積極性懲罰（Positive punishment）來打擊網路霸凌。

Temple-Wood 在 2012 年創立維基百科女性科學家專頁，而這是一個艱難的任務。身為女科學家傳記的共同作者的她在首頁底下寫下這段話，「維基百科上女科學家條目數可悲地不足，是維基百科的系統偏差（systemic bias）」。2013年她接受 Wikimedia Foundation 的訪問時說：「有一票皇家學會（ Royal Society ）的女科學家，在科學界該是鼎鼎有名的大人物，維基百科卻沒有她們的頁面。『我覺得很生氣，那天晚上我坐在宿舍的走廊直到兩點，為的就是把第一篇關於女性科學家的文章寫出來……』。」

不出幾年，維基百科上就增加許多女科學家的條目。其中有 376 位女科學家的頁面登上 Wikipedia 首頁「你知道嗎？」的專區，更有 30位女科學家的條目以「好」或「特色」(featured)的評價通過同儕審查。

Temple-Wood 也在大學主持維基百科編輯會議，和她一起共事的編輯 Rosie Stephenson-Goodknight 形容她是「維基百科處理關於女科學家性別議題的重要典範」。

前維基百科創辦成員 Siko Bouterse 也說 Temple-Wood 在性別上的影響是前所未有的：

她撰寫了上百篇關於女科學家的文章，其中包含許多面向。她不只寫白人女科學家，也處理維基百科在不同種族的女性條目上數量不足的問題。而最重要的，Emily 還啟發其他人一起進行……當我還是小孩時，我認識的女科學家一隻手就數的完，但在 Emily 的努力下，我知道我們的女兒之後會有免費的知識管道來了解女科學家，這真的非常強大。

不幸的是，因為 Temple-Wood 是女生，她成為網民騷擾的主要對象。這些人經常問她要不要出去約會；公開討論她的身體、不斷暗示她能有今天的地位，是因為以身相許；還問 Emily 要不要也給他們一樣的服務。如果 Emily 不回應，他們就會口出惡言。

這樣的經驗對現在傑出女性來說並非不尋常，但 Temple-Wood 有一套自己的抗議方式，讓這樣的騷擾成為她前進的動力。她只要一收到騷擾信，就馬上建立一位女科學家的維基條目，像是 Liliana Lubińska 、 Katharine Luomala 、 Adelaida Lukanina 等都是這種情況下的產物。

正如 Bouterse 所說，這樣的騷擾「雖然很可惡，卻又恰好象徵目前女性在網路上面臨的真實情況」：

這種騷擾造成的情感傷害非常巨大。令人驚訝的是， Emily 能讓每個騷擾成為能量，藉此反嗆那些希望女性在網路沉默的人。這非常需要勇氣。

拜這些騷擾所賜， Temple-Wood 已經有一堆文章要寫，她反過來感謝這些騷擾者，幫助她對抗維基百科的系統性偏差。 和她共事的編輯Stephenson-Goodknight 說：「記住我的話，總有一天我們會寫到她的故事和科學發現，特別是如果 Emily 的研究成果能治癒他們的媽媽或姊妹，我會很想知道這些在網路上騷擾和誹謗她的人，到時候會怎麼想。」

本文翻譯自 “The new alchemy: turning online harassment into Wikipedia articles on women scientists“，作者為 Ed Erhart，維基媒體基金會 CC 3.0授權。