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2019-08-01結構、性質與功能─材料設計仿生學 596 期

Author 作者 陳柏宇/清華大學材料科學工程系副教授兼副系主任、美國加州大學聖地牙哥分校博士;致力於研究自然界中生物材料的結構、性質、功能與機制;林玉敏/清華大學材料科學工程系碩士,喜歡可愛的生物。
材料科學與工程發展迄今面臨許多開發瓶頸,如玻璃、陶瓷材料硬而脆;金屬、合金材料強卻重;高分子材料韌但軟且不耐高溫;人造材料在製程上常需高溫高壓及毒性物質,難以兼具環保與永續發展等。有別於現今的科學技術,大自然的動、植物在解決問題時採取的方法常更簡易、直接、高效且環保。仿生或生物啟發材料(biomimeticbioinspired Materials)便是以天然的生物材料作為概念啟發,研究並歸納出結構、性質、功能三者的關聯性與機制,最終脫離模仿階段並創造能突破現有侷限的人造材料。近年,仿生材料不僅在學術研究領域逐漸嶄露頭角,在國內、外也已有商業產品與相關應用。

生物材料

有別於人造材料通常藉由多元的材料選擇來達到特定性質,自然界能運用的材料有限,通常由碳、氧、氮、氫、鈣、磷、硫或矽等輕元素組成的礦物質,例如碳酸鈣(CaCO3)、氫氧基磷灰石(Ca5(PO4)3(OH))和氧化矽(SiO2)等;結構性蛋白質,例如膠原蛋白、角質蛋白和絲蛋白等;多醣類,例如纖維素、幾丁質。這些在常溫常壓條件下自組裝合成的多階層結構複合材料,具多功能性與環境適應力。生物材料所使用的材料本身性質並不特出,但其多階層結構設計與不同材料界面間的強化或韌化機制,使其常能超越人造材料的機械性質,達到兼具輕、強和韌等的優化複合特性。

結構設計元素

地球上數百萬種動、植物歷經漫長的演化及適應,發展出多種樣貌與生存方式,近年研究發現不同物種為了達成特定功能發展出類似的解決方法。舉例來說,類似壁虎腳趾的多階層奈微米纖毛結構,在昆蟲、樹蛙和爬岩鰍等不同動物的吸附表面都發現類似結構。目前科學家彙整各種生物材料並歸納出8種最具代表性的結構設計元素(structural design elements):纖維(brous)、螺旋(helical)、層狀(layered)、梯度(gradient)、管狀(tubular)、縫隙(suture)、腔室或孔洞(cellular)以及疊蓋(overlapping)結構。這些結構設計元素不僅最為常見,也分別在提升機械性質與功能適應上有不同的貢獻,如高強度、高韌性、高硬度、耐磨耗、輕量化、抗衝擊能力、可動性和靈活度等。本文將分別介紹這些結構設計元素並舉例說明代表性的生物材料與仿生應用(圖一)。

圖一:生物材料中常見的 8 種結構設計元素與其代表性動物及微結構。(作者提供)


1.纖維結構:

許多細纖維排列組成一束纖維,纖維再集結成更大的纖維,形成纖維結構。此結構的特性即是在單一方向擁有非常高的拉伸強度,日常生活中最具代表性的纖維結構就是蜘蛛絲,纖細的蜘蛛絲強度與相同粗細的鋼絲不相上下,能夠捕捉獵物與承受自身重量,是因為當中特殊的蜘蛛絲蛋白質分子排列形式。非結晶的蛋白質與週期排列的β摺版晶體組成複合結構,β摺版晶體提供強度與剛性,非結晶蛋白質則提供延展性與韌性,因此,蜘蛛絲兼具非常優異的強度與韌性。其他具纖維結構的生物材料還有植物纖維素、動物的毛髮角質蛋白、韌帶和肌腱中的膠原蛋白纖維等。......【更多內容請閱讀科學月刊第596期】