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奈米生活

自然界中的奈米現象

文•圖/呂宗昕(化工系教授)

 

    「奈米」兩字儼然是二十一世紀高科技的代名詞,但是你可知道早自千百萬年前,造物者之巧手便在許多生物體內創造出各式奈米粒子或奈米構造,使其展現各種特殊的功能或形態。在自然界中,小至病毒、細菌,大到萬物之靈的人類,甚至是海洋中的巨鯨,都可發現奈米級結構的存在。

 

自潔的荷葉與不反光的飛蛾眼睛

    在植物園或郊外,我們常可看到荷葉上有水珠會滾來滾去。德國的植物學家W. Barthlott觀察到,荷葉上的水珠是一顆顆圓滾滾的,而其他葉片上的水珠則不然。他以電子顯微鏡檢視,發現荷葉具有奈米結構【1】,在葉面有許多突起狀的表皮細胞,上面又覆蓋著長度約100奈米的疏水性含蠟絨毛。因為表皮細胞之間隙充滿了空氣,大幅縮小水珠與葉面的接觸面積,細微含蠟絨毛的結構使水珠更加不易附著於荷葉上。只要有輕風吹拂,水珠在荷葉表面便可快速移動,將灰塵帶走。此種荷葉的「自潔效應」目前已經被應用於具有防污功能的大樓玻璃、室內外磁磚上。

   飛蛾眼睛的角膜表面具有奈米級的微小突起,具有低反光性,看起來異常的漆黑,在夜間飛行時,不容易為敵人所察覺(圖一)。此種特性稱為蛾眼效應(moth eye effect)。目前已有公司依據此種原理,成功開發出不會反光的玻璃,將來可望廣泛運用在眼鏡鏡片、電視及電腦螢幕、汽車玻璃、甚至是展示櫥窗上,具有龐大的潛在商機。

 

披著彩衣的生物與會回家的動物

    某些生物的顏色特別繽紛燦爛,讓人驚豔不已,有的甚至從不同角度觀看還能呈現彩虹般的色澤,例如蝴蝶翅膀及甲蟲殼。人們最早以為這與生物體內所含的色素有關,不過後來科學家們發現關鍵在於稱為光子晶體(photonic crystals)的顯微結構。凡一種物質呈特殊的週期性排列,可以反射特定波長的可見光,便屬於「光子晶體」。以蝴蝶為例,某些蝴蝶的翅膀能顯現五彩斑爛色澤,這是因為其翅膀上的鱗片具有此種類似光子晶體、週期在數百奈米左右的網狀結構(圖二)【2】,可將特定顏色的光反射,隨著觀看角度的不同,顏色也會有所改變。

    許多人有搞不清楚東西南北的迷路經驗,但是某些昆蟲及動物擁有與生俱來的辨識方向的本能,例如螞蟻、蜜蜂、鴿子和鮭魚等,即使離家千里之遙,還是能找到回家的路。近來科學家們在這些生物體內發現奈米級磁性粒子的存在【3】,這些奈米磁性粒子可以感應到地球磁場的細微差異,功用就像是生物的磁羅盤或導航系統一般,能幫助這些生物辨識回家的方向。

    下水後的船艦,不消多時船殼即開始鏽蝕,甚至附著了許多會加快侵蝕速度的海洋生物,行船摩擦力因此增加,從而影響船速及耗油量,所以船體抗污的研究過去一直著重於開發超級平滑、讓生物體無法附著的表面。反之,終其一生在海中生活的海豚及鯨魚,卻能常保平滑乾淨的皮膚。研究人員發現海豚的皮膚儘管看似極為光滑,但表面其實佈滿了奈米尺寸的微小突起,小到足以讓有害的海洋微生物無法附著其上,卻又不至於增加海豚游動時的摩擦力。仿效海豚皮膚的奈米材料,成了抗污船體的新研究方向。

               

人類的生命肇始於奈米

    DNA是攜帶人類遺傳密碼的重要物質,其直徑只有2奈米,所以人類的生命可謂是肇始於奈米。細胞核中有兩種重要的聚合酵素(polymerase),分別負責DNA的複製以及從DNA轉錄出RNA,此兩種酵素的分子大小僅在15奈米左右。人體細胞以細胞膜來分隔細胞內部與外在環境,細胞膜的厚度約在7~10奈米之間,膜中有離子通道(ion channel)可控制鈣、鉀、鈉、氯離子的進出,這些離子通道的內徑約僅有1~2奈米寬(圖三)【4】。細胞內的核醣體(ribosome)直徑約25奈米,負責以RNA為模版,將個別氨基酸組合成長鏈狀以構成蛋白質,進而執行人體的各項功能。在血管中負責運送油性成分的載體稱為脂蛋白(apolipoprotein),低密度脂蛋白的粒徑介於25~30奈米,高密度脂蛋白的粒徑僅有7.5~10奈米。這些奈米物質在人體中扮演各種不同重要角色。

    當傾力發展奈米科技之際,不妨看看我們的周遭。「師法自然」或許能為研究人員帶來創新靈感,並提供另一種思考途徑與模式。解決題的答案也許不在實驗室,或許就在我們的身體裡或就在自己的生活中。

 

參考文獻

【Ref 1】W. Barthlott and C. Neinhuis, Planta, 202, 1, 1997

【Ref 2】P. Schewe, J. Riordon, and S. Stein, Physical News Update, 622, 1, 2003

【Ref 3】I. Safarik and M. Safarikova, Monatsh. Chem., 133, 737, 2002

【Ref 4】A. Lee, Curr. Biol., 11, R811, 2001

 

呂宗昕     小檔案

現職:台大化工系教授

學歷:台灣大學化工系學士

          日本東京工業大學無機材料系碩士

          日本東京工業大學無機材料系博士

經歷:美國柏克萊大學及勞倫斯國家實驗室博士後研究員

          台灣大學化工系副教授

研究領域:奈米電子與光電粉體材料、LED螢光材料、電子陶瓷材料、鋰離子電池、被動元件材料、半導體薄膜製程

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