讓好點子落地生根！《康寧創星家》複賽暨工作坊紀實

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

任何通盤的氣候計畫都必須借助許多不同領域的力量。氣候科學能說明我們需要處理這個問題的「原因」，卻告訴不了我們處理的「方法」。為此，我們需要結合生物學、化學、物理學、政治學、經濟學、工程學等領域。

創新不只是技術革新

就能源、軟體等領域來說，不能只是從嚴格的技術角度來思考創新。創新不僅僅是發明一台新機器或新製程，還包括對商業模式、供應鏈、市場和政策提出新穎觀點，以協助新發明問世、達到全球規模。

創新既代表全新的工具，也代表全新的做事方式。

考量到上述種種前提，我把計畫中的不同內容分為兩大類。其中一類是擴大創新的供給，實驗大量的新穎想法；另一類是加速對創新的需求。兩者攜手並進。如果沒有創新需求，發明家和決策者就不會有任何動力推出新想法；如果沒有穩定的創新供給，消費者就無法取得全球亟需的環保產品，來實現零排放。

擴大創新的供給

第一階段的工作是典型的研究與開發，即偉大的科學家和工程師發想出我們需要的技術。儘管今天有許多低成本的低碳解決方案，卻仍然沒有掌握實現全球零排放所需的一切技術。為了盡快備妥這些技術來發揮影響力，各國政府需要做到以下幾點：

未來10年內，對清潔能源與氣候相關的研發投入增加五倍

對研發的直接公共投資，是我們因應氣候變遷的重要方式，但政府在這方面的投入遠遠不足。

我們應該花多少錢呢？我認為美國國家衛生研究院（NIH）提供很棒的比較基準。NIH 每年預算約為 370億美元，成功研發許多救命藥物和治療方法，對美國人與世界各地的民眾來說不可或缺。

這正是絕佳的例子，也是我們因應氣候變遷所需決心的典範。雖然將研發預算變五倍聽起來是天文數字，但與當前挑戰的難度相比，顯得微不足道，而且強力反映了政府對此問題的重視程度。

加大投資高風險、高回報的研發計畫

這不僅僅攸關政府砸了多少經費，更攸關政府是否把經費花在刀口上。

各國政府曾因為投資清潔能源而引火上身。決策者不想讓人覺得自己在浪費納稅人的錢，這當然可以理解，但因為恐懼失敗，反而造成對於研發的投資短視近利，傾向找更為安全的投資目標，而且最好交由私部門出資。政府主導研發的真正價值在於，可以冒險嘗試那些可能失敗或不會立即獲益的大膽理念。

我們需要政府承諾資助能推動清潔能源科學發展的超大規模計畫（數億或數十億美元）。政府也得承諾長期資助這些計畫，這樣研究人員就會曉得來年都會固定得到補助。

研發呼應最大需求

實用價值尚不明顯的「藍天研究」（blue-sky research，又稱基礎研究）與科學發現的實際應用（即所謂的應用研究或轉譯研究）兩者有明顯區別。雖然是不同的概念，但如果凡事都要講究正統，認為基礎科學不應該被商業考量給汙染，毋寧大錯特錯。

那些優異的發明之所以問世，是因為科學家在研究之初就考慮到最終用途。我們需要更多的政府計畫，整合亟需突破領域中的基礎研究和應用研究。

一開始就與產業界合作

我還遇過另一項人為的區分，即初期的創新是為政府服務，而後期的創新是為產業服務。但在現實中不該如此區分，我們在能源領域面臨的艱難技術挑戰尤其不能如此簡化，因為想法成功與否最重要的衡量標準，就是能否遍及全國、甚至全球的規模。

初期的合夥關係會吸引懂得達標的內行人。政府和產業界需要共同努力，才能克服障礙、加快創新循環。企業可以幫忙製作新技術的原型，提供市場方面的洞見，並且共同投資計畫。當然，他們負責把技術商業化，所以理應要盡早讓他們參與。

——本文摘自《如何避免氣候災難：結合科技與商業的奇蹟，全面啟動淨零轉型新經濟》，2023 年 ３ 月，天下雜誌出版，未經同意請勿轉載。

過去十年是人類史上最熱的日子，且全球海平面上升速度加快至原來的近 3 倍 ^[1]，氣候變遷不是未來式，而是現正「熱」映中。

若地球再升溫攝氏 1.5 度，氣候的變化可能變得無法挽回，而且上升的海平面將會入侵沿海城市與人口稠密的平原區，人類生存將會面臨很大的挑戰，為了避免如此巨大的災難，IPCC 訂定了全球行動基準：2030 年前，全球碳排放量需減半^[2]，時限只有不到十年的時間。

可是人類的所有的活動，都會或多或少造成二氧化碳排放，難道真的要靠薩諾斯彈個手指消滅一半的人類嗎？粗暴的行為 duck 不必！我們只需要將「碳中和」的概念貫徹於生活中就可以了。

先談談什麼是「碳中和」

碳中和（carbon neutrality），是指通過使用低碳能源取代化石燃料、植樹造林、節能減排等方法，抵銷各種產品或活動造成的二氧化碳排放，實現正負抵消，達到相對「零排放」的做法。

一般常見的做法有兩種：

• 建立碳補償系統。例如：透過植樹造林、購買再生能源憑證^[註1] ，從大氣中移除因為某項產品或活動造成的碳排放量。
• 使用低碳或零碳排的技術。例如使用再生能源（如風能和太陽能），而非化石燃料，以避免因燃燒化石燃料而排放二氧化碳到大氣中。

但無論是碳補償系統或是再生能源產業，都還需要花很長的時間來建設，那麼，有什麼是我們在日常生活中可以落實的？——有的！那就是玻璃回收。

玻璃：完全可再生利用的材質

玻璃是將石英（SiO2，砂的主要成分）混合了定量的碳酸鈉與碳酸鉀後，在 1,500 °C 熔煉爐中燒製而成的，是一種透明、高硬度的材料，具有成分安定的特性，所以許多化學會使用玻璃瓶來盛裝。

但也是因為不易腐化的特性，如果將廢玻璃作為垃圾處理，無論是掩埋或是焚化，都無法很有效的處理廢玻璃，玻璃碎片將成為土壤中難以分解的物質。

但這也不是什麼難解的問題，因為玻璃是一種可以完全再利用及再生的材質，可以被再製成各類玻璃產品或玻璃原料，具有一定的回收價值。

玻璃主要回收方式有兩種：

• 原型利用：將使用過的玻璃容器或產品直接回收再利用，不經由粉碎等過程，常見於玻璃容器回收。
• 粉碎玻璃粒料再利用：將使用過的玻璃產品，回收後經由清洗、粉碎、去除雜質後，製成可供再次熔煉的玻璃粒料，常見於平板玻璃的回收。

其中「原型利用」是最簡單又最能有效減碳的再利用模式，像是台灣菸酒公司及台灣青島啤酒公司針對其所使用的啤酒瓶等容器，透過回收瓶費制度及逆向回收系統，將收回的玻璃酒瓶經清洗與高溫消毒處理後，就可以重複裝填啤酒等產品。

生產新玻璃，加熱原料「碳排量」極高

若是生產全新的玻璃瓶，在加熱原料時需要燃燒天然氣來達到高溫，這個步驟佔玻璃製造碳排放量的 75% 至 85%，其他的排放量大多是來自於原料之間化學反應的副產物^[3]。與之相比起來，「原型利用」幾乎是零碳排的作法，也是最節省成本與材料資源的好方法。

即使是難以直接再利用的平板玻璃，粉碎後重新煉製成玻璃也能大量減少碳排放量，因為融化碎玻璃所需要的溫度較低，能減少燃料的使用，而且碎玻璃融化時，不會像石英沙等原材料釋放二氧化碳，從而減少碳排放量。

根據歐洲容器玻璃聯盟 (FEVE) 的說法，與完全由原材料製造玻璃相比，熔爐中每使用 10% 的回收碎玻璃，可減少 5% 二氧化碳排放量^[3]，若再參照我國行政院環境保護署網站資訊，台灣的玻璃製造廠使用的原料中，回收碎玻璃約佔 50％^[4]，換算下來約能減少 25% 的碳排量。

除此之外，粉碎玻璃粒料還可以作為玻璃瀝青、透水磚等環保建材的材料。然而這種回收難度不高、用途又廣泛的材料，在大多數國家卻仍當作垃圾掩埋，為什麼？

美國玻璃回收率僅 31%，算是放牛班

歐洲是少數妥善回收玻璃的地區，也是全球回收玻璃的領頭羊，所有 27 個歐盟成員國以及英國，已經回收了境內四分之三的容器玻璃，並且每個新的玻璃製品使用了約 52% 的回收材料，而且他們還希望做到更好，當地的玻璃容器業有一個宏大的願景：希望能在 2030 年以前將容器玻璃收率達到 90%。

與歐洲相比，美國的消費習慣與環保概念仍十分落後，根據美國國家環境保護局（Resources in Traditional Chinese Language）的數據，僅 2018 年美國就把 700 萬噸玻璃當作垃圾掩埋了，佔所有固體城市垃圾的 5.2%，僅有 31% 的玻璃容器被回收。

幸好，還是有部分區域自發性的在為玻璃回收做出貢獻，像是有美國維吉尼亞州阿靈頓郡的玻璃包裝協會，他們正努力趕在 2030 年前將玻璃容器回收比例提高到 50%；而南非的玻璃回收公司（Glass Recycling Company），成功將整個南非的玻璃回收率從 2005-06 年的 18% 提高到 2018-19 年的 42%。

但在其他開發中國家——例如在中國、巴西或印度，沒有公佈明確的回收現況報告或者未來的計畫，然而這些國家也有著巨大的生產力與消費力，環保永續的未來必須要大家一同參與，否則是對寶貴資源的巨大浪費。

玻璃是透明的，但不能視而不見地埋起來

從工業革命開始，人類不斷的使用石化燃料、排放溫室氣體，未來十年內，二氧化碳就會達到足以改變氣候的濃度，放縱的消費習慣是該懸崖勒馬了。

玻璃是必不可少的材料，我們當然可以繼續使用，只需要確保它被正確地回收再利用，而不是被埋進垃圾場裡，就能大大減少製造過程所產生的二氧化碳，邁向循環永續的綠色供應鏈。

就讓我們從玻璃回收再利用開始做起，讓回收玻璃成為「碳中合未來」的敲門磚！

註解

註 1：再生能源憑證是再生能源電力生產的證明，通常以度或千度電量為單位，在憑證上會紀錄這批電力的發電方式、生產地點及生產時間，並透過國家認可的第三方認證，證明你買到的是純綠電，也稱綠電憑證。造成碳排的一方可以購買再生能源憑證，等於是將自己產出的碳排放量交由再生能源業者回收。

參考資料

1. 聯合國氣候變遷最新報告顯示全球氣溫上升速度快過預期
2. 碳中和
3. Nature : Glass is the hidden gem in a carbon-neutral future
4. 行政院環境保護署 生活廢棄物質管理資訊系統
5. IPCC https://www.ipcc.ch/sr15/
6. 認識再生能源憑證
7. 永續發展從哪裡來能往哪裡去？減碳還不夠，下一站是「碳中和」
8. 資源回收網- 材質專區
9. 升溫逼近關鍵的1.5度，IPCC釋出最新氣候報告
10. 氣候變化：九張圖看懂全球變暖和你我的關係
11. 維基百科 玻璃