掩星觀測顯示鬩神星和冥王星大小幾乎相等

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

尋找第九顆行星

1846年發現了太陽系中的第八顆行星海王星後，許多科學家就試著要去找第九顆行星。波士頓的富豪帕西瓦爾·羅威爾（Percival Lowell）非常喜歡天文，1890年代他在亞利桑納的旗竿鎮建造了羅威爾天文台（Lowell Observatory），羅威爾除了觀測火星外，也參與尋找第九顆行星的計畫。但是1916年羅威爾去世為止，第九顆行星一直沒有被發現。

1929年，在當時只有23歲的湯博（Clyde Tombaugh）受僱於羅威爾天文台，他主要的工作便是尋找第九顆行星。湯博使用的是一部33公分的望遠鏡，他在不同晚上拍攝天空中同一個區域的天體，然後將不同的照片做比對：因為相對於天空星星的位置行星會緩慢地移動，如果發現一個不曾發現的緩慢移動的天體，那麼它可能就是正在尋找的第九顆行星！

1930年2月18日，湯博比較1月23日和1月29日拍攝的照片時，發現一個小亮點移動了位置。接下來一段日子的觀測，確認這個天體確實在移動！3月13日他們把發現結果公諸於世。

這個重大的發現立刻成為世界各地的頭條新聞，羅威爾天文台於是公開徵求對這個天體命名，在許多的建議當中，最後選定「Pluto」冥王這個名字，因為這個字的開頭PL和羅威爾天文台的贊助人帕西瓦爾·羅威爾（Percival Lowell）名字的縮寫是一樣的。

冥王星和其他夥伴有點不一樣？

當冥王星的軌道被計算出來後，科學家就發現它和其他的行星相當不一樣，太陽系其他行星以接近圓形的軌道繞太陽運行，但是冥王星的軌道形狀卻相當橢圓，離太陽最近和遠的距離分別是29.7 AU和49.3 AU （AU是地球到太陽的平均距離），當冥王星離太陽最近時，甚至比海王星還靠近太陽。另外，太陽系裡的其他行星幾乎都在黃道面上繞太陽運行，但是冥王星的軌道卻偏離黃道面達17度！

除了軌道特異外，冥王星的質量還比其他行星小很多。1978年發現冥王星的最大衛星夏戎（Charon）後，透過夏戎繞冥王星的軌道，科學家可以計算出冥王星的質量，冥王星的質量只有地球的0.2%！

冥王星被發現後，就有天文學家預測在海王星外，還有許多小天體還沒被發現。但是一直到1992年才在海王星外發現另一個天體，1992 QB1。而到2017年年初為止，已經在海王星外發現了超過2000顆的這類天體，這些天體泛稱為海王星外天體（Trans-Neptunian object, TNO），其中2004年發現的妊神星（Haumea），它的質量大約是冥王星的三分之一，這些天體的軌道和冥王星類似，冥王星會不會只是海王星外天體中最大的一顆而已呢？

新天體的發現反而讓冥王星「降級」了？

2005年1月，麥克·布朗（Mike Brown）和他的團隊發現了一個新的天體，這個天體後來被稱為鬩神星（Eris），鬩神星的名字源自希臘神話，她代表著不和與紛爭，鬩神星就如同它的名字一樣，引發了冥王星是不是行星的爭論。

鬩神星的質量比冥王星稍大，但是體積比冥王星稍小，當鬩神星被發現時，有人稱它為第十號行星！但是另一些科學家卻不認為鬩神星是一顆行星，他們主張冥王星和鬩神星不同於其他行星，應該另外分類成一種新的天體。

冥王星到底是不是一顆行星？這個問題應該要回到最根本的地方，什麼是「行星」？如果行星被清楚的定義，那麼就可以解決冥王星是不是行星的問題。國際天文聯合會（International Astronomical Union, IAU）邀集了專家學者討論這個問題，2006年8月時公布了行星的定義：

1. 行星必須繞太陽運行。
2. 行星的質量夠重足以讓自己呈圓形。
3. 行星能夠清除軌道附近上的其他天體。

冥王星雖然符合第一和第二個定義，但是卻不符合第三個條件，因為冥王星的軌道上有許多的海王星外天體，那麼冥王星應該歸類為什麼樣的天體呢？

天文上常常用「矮」這個字來描述較小的天體，例如紅矮星是質量最小天恆星；棕矮星是比恆星質量小一些，不會產生氫核融合的天體；而矮星系是比一般星系還要小的星系。天文學家於是把不符合行星第三個條件的天體稱為「矮行星」（dwarf planet），所以冥王星和鬩神星就被歸類為這種天體。目前國際天文聯合會認定的矮行星有五顆：冥王星、鬩神星、妊神星、鳥神星（Makemake）和穀神星（Ceres），另外還有一些天體在矮行星的候選名單之中，科學家相信還有許多矮行星在海王星之外等著被發現。

麥克·布朗本來以為發現了第十顆行星，但是因為鬩神星的出現，最後太陽系行星的數量，反而從九顆降為八顆，這可能是他沒有預料到的結果。麥克·布朗因為發現鬩神星，讓冥王星被降級，所以他被封為冥王星殺手，麥克·布朗似乎還蠻喜歡這個封號，他還為此寫了一本書《我是如何殺了冥王星的》！！

所以冥王星就從此過著身為矮行星的生活了嗎？

仔細看一下國際天文聯合會對行星的定義，這個定義似乎是為冥王星量身定做的，感覺就好像刻意要將冥王星排除在行星之外。

其中感觸最深的應該是艾倫·斯特恩（Alan Stern），他是新視野號太空船的計畫主持人，2006年1月新視野號（New Horizons）發射升空時，這艘太空船的最主要目的是探索太陽系裡還未被太空船探訪的最後一顆行星：冥王星，結果新視野號升空幾個月後，冥王星就被降級為矮行星，原本要探訪的冥王星，變得不再是一顆行星，情何以堪！

艾倫·斯特恩認為國際天文聯合會對行星的定義有問題，也不夠嚴謹。以木星為例，木星繞太陽的軌道上並不是只有木星而已，它的軌道上還有兩大群的特洛伊小行星（Trojan），這些小行星和木星一起繞著太陽運行，這表示木星並沒有清光軌道上的其他天體。另外，地球附近也有近地小行星，地球也沒有完全清光軌道上的天體。如果根據國際天文聯合會的定義，木星和地球也不能算是行星！

最近有一些人（主要是包括艾倫·斯特恩在內的新視野號團隊）主張應該把冥王星再列為行星，他們認為行星應該重新定義：行星是比恆星還要小的天體，它們不會進行核融合反應，本身的重力能夠讓自己呈球形，而且和它們的運行軌道沒有關係。根據他們的定義，太陽系裡的行星數量會暴增到大約110顆！因為一些較大的衛星（包括我們的月球）都會升級成行星！他們已經將提議交給國際天文聯合會，冥王星會不會重新回到行星的行列？就讓我們拭目以待吧！

• 原文刊登於科普寫作網路平台，以及作者部落格「屋頂上的天文學家」。