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臺大發明家

奈米世界的大抱負~「奈米矽片」和「奈米銀粒子」的發明

文•圖/林江珍

  回憶30多年來,在美國產業公司研發工作及臺灣學術研究生涯中,一些片段的記憶皆有其意義。

  Serendipity的發現總是快樂的。所謂「眾裏尋他千百度,驀然回首,那人卻在,燈火闌珊處」。這句辛棄疾的詞,也可以用來描述一位科學研究者經過潛心思考後、柳暗花明的心情。但個人對研究工作有更深一層的體會,是早年得自臺大學生時期。回想在臺大農化系及化學研究所時,常常是通宵達旦地做實驗。當年受教於化學系劉盛烈教授,接受日本式傳統的嚴格學術訓練。在每週六繳交週報的壓力下,反而做出興趣來。劉教授的每一位研究生皆被指定個別目標,我們的研究主題是合成新的有機矽化合物,很有挑戰性。每當夜深人靜時,獨自走出化學館,頗有“眾人皆睡,我獨醒”的自負感。後來我發現,經過這兩年碩士“苦日子”的訓練後,不再認為做研究是件苦事了,反倒有說不完的樂趣。轉眼間,研發生涯已過了30幾年。讓我深深體會到,當年在校園6年的行走,未曾介意的臺大校訓“敦品勵學,愛國愛人”,卻是有它的內涵,淺移默化青年學子“貢獻社會”的抱負及理想。

  畢業後,跟著當時出國潮,到Georgia Tech攻讀化學博士學位,在Cornell及Princeton博士後研究期間,深入學習科學精神及技巧。指導教授E. C. Ashby,放任我自由思考及歡迎隨時口頭討論。更在Semmelhack研究室延伸此美式的教育方式,也讓我體會到化學領域的深奧與遼闊。當時甚至認為化學結構式是所有科學的基礎,上帝是個化學家。

  自己的黃金研究生涯是貢獻在美國工業界Texaco及Shell Chemical Co. ,在此兩家石油與化學公司總共渡過了16年。期間申請超過100篇以上的美國專利。在每篇專利申請過程中均思考過,該技術為公司創造短期或長期利潤的可能性,在改良公司製程與觸媒及開發新產品上,成功地做出具體貢獻。後來自己研發能力更成熟,在Shell公司短短7年間,駕輕就熟地開發出商業化新型汽油添加劑特用化學品,及一新高分子單體。兩項成果均長期影響公司研發的方向,貢獻於無形。至此,我深刻瞭解到,真正有貢獻的產業創新研發必須結合Idea的原創、可行製程、實際應用及經濟性等綜合性之判斷。這不能只靠個人的力量,需團隊合作才能達成。

  1995年抱著回饋及教育人才的理想回到臺灣。研究工作從零開始。在國科會補助下建立新實驗室,選擇高分子合成領域,在毫無設備下,以一些小玻璃反應器進行實驗。研究方向要兼顧學術界的“研究”及應用上的“開發”,以“滿足”國科會的標準及審查教授們主見很深的Peer Review。還好,當時新成立的中興化工系處於成長茁壯期,學生踏實認真。10年下來,讓我有「得天下英才而育之」的得意。只是個人的工業界背景,極其盼望所研發的成果可有實際上之應用。當時,臺灣工業界正值快速轉型,面對市場強力競爭,開始體認到R&D的重要性。所以我們的實驗室很快地得到中油公司、工研院及多家私人公司之經費支持,在3~5年間充實成為頗具規模的實驗室,而不必完全仰賴國科會齊頭式平等的補助。

  2000年,奈米技術與材料研究已蔚為主流。工業技術發展愈趨精緻,人類瞭解到自然界運作之尺寸常在1~100 nm範圍,奈米尺寸材料的發明與應用將是必然趨勢。實驗室自然地利用過去的經驗合成雙性高分子,作為新的界面分散劑,應用於各種材料如水泥分散減水劑等,也進行了天然黏土層間的化學反應研究。我們合成Polyamine(Jeffamine® Amine)衍生之分子以為黏土層間變化及有機改質,並提出“奈米容器”構想。(生命的原始論即是有機胺基酸在層間Clay下,聚集濃度後製造出來的!)。這些題目均兼顧了學術的新穎性及實用的前瞻性。在2003年我們創新製造出奈米矽片(Nano Silicate Platelet, NSP)(參考圖1)。一般而言,天然黏土之層間結構因為正負離子相吸引,力量很大,脫層困難。而我們發現此新物質可具有多種性能,奈米矽片具有高表面積及奈米尺寸,可強烈吸附重金屬離子,以及自排(Self-Assembly)具蓮花自潔機能及降低熱脹係數等特性。又其抗菌功能有別於醫藥或抗生素,此材料之抗菌功能源自於其幾何形狀和片狀離子表達之“物理捕捉”(Physical Trapping)或透過捕捉菌體間有機極性小分子。電子顯微鏡也可直接觀察到“奈米矽片”與微生物的互動過程(參考圖2),故而大膽提出抗菌機制是屬於“物理性”,奈米尺寸之材料直接中斷Bacterial Quorum Sensing對話的進行。此論點與假設期待基礎醫學研究者的進一步驗證。

  科學研究的瓶頸常在於研究者陷入個人過去學習的“框框”,英文字為Paradigm。跳脫個人固定的Paradigm需要跨領域合作。無可否認,臺灣的學術研究及工業研發能力,雖有進步,但仍不習慣合作,而是急於追求短期利益,及個人「成就」。直到2005年轉來臺大,才慢慢建立整合不同專長的團隊,而有機會跨入自己生疏卻喜歡的領域。在奈米材料的合成研究、太陽能電池的應用、奈米材料毒理的基礎研究及奈米銀粒子皮膚癒合…等研究,均能找到優秀的同事進行合作與挑戰性的討論,且陸續作出長遠之影響。其中之一,本實驗室利用矽片之片狀結構和銀粒子之球狀結構而達到幾何分散,製成“奈米矽片”與“奈米銀粒子”之複合型抑菌材料-「銀彈900」。跨領域研究實驗證實此一材料具有雙效功能性-捕捉及撲殺細菌,對被燒燙傷且已感染之老鼠具有療效,並有「促進癒合」的作用。尤其對抗銀離子性之細菌和MRSA,即使是真菌亦有抑制效果(參考圖3)。

  在近年兩次嚴重流感期間,我們實驗室曾公開研究成果,在2003年SARS期間發表「奈米矽片」抑菌功效,又在2009年H1N1流行時再對外發表「銀彈900」的研究成果。在心中仍沒有忘記要對社會做出貢獻的抱負及理想。(本期本專欄策畫/材料系莊東漢教授)

 

延伸閱讀~相關研究之參考文獻:

[1]Ying-Nan Chan, Shenghong A. Dai and Jiang-Jen Lin*, 2009. Simultaneous Occurrence of Self- Assembling Silicate Skeletons to Wormlike Microarrays and Epoxy Ring-Opening Polymerization, Macromolecules, 42, 4362.

[2]Hong-Lin Su*, Chih-Cheng Chou, Da-Jen Hung, Siou-Hong Lin, I-Chuan Pao, Jun-Hong Lin, Fang-Liang Huang, Rui-Xuan Dong and Jiang-Jen Lin*, 2009. The Disruption of Bacterial Membrane Integrity through ROS Generation Induced by Nanohybrids of Silver and Clay, Biomaterials, 30, 5979.

[3]Yu-Min Chen, Hsiao-Chu Lin, Ru-Siou Hsu, Bi-Zen Hsieh, Yu-An Su, Yu-Jane Sheng* and Jiang-Jen Lin*, 2009. Thermoresponsive Dual-Phase Transition and 3D Self-Assembly of Poly(N-Isopropylacrylamide) Tethered to Silicate Platelets, Chemistry of Materials, 21, 4071.

[4]Jiang-Jen Lin*, Ying-Nan Chan and Wen-Hsin Chang, 2010. Amphiphilic Poly(oxyalkylene)-Amines Interacting with Layered Clays: Intercalation, Exfoliation and New Applications. In Advanced Nanomaterials, Geckeler K. E., Nishide H. Eds., John Wiley & Sons, Inc.: New York, pp 459–480.

[5]Jiang-Jen Lin*, Rui-Xuan Dong and Wei-Cheng Tsai, 2010. High Surface Clay-Supported Silver Nanohybrids. In Reviews in Silver Nanoparticles; Kordic, V., Eds.; I-Tech Publishers, Inc.: Vienna, Austria, pp161–176.

[6](A)“臺灣大學產學合作中心98年5月19日正式揭牌營運-揭牌儀式”,2009,臺大校訓第965期。

(B)“緊密與產業界鏈結互動臺大產學合作中心揭牌營運”,2009,臺大校訓第965期 。

(C)“促進產學合作先導性研究計畫研發成果不再束之高閣,流感病毒的剋星奈米矽片銀殺菌劑-銀彈900登場”,2009,臺大校訓第968期。

 

林江珍小檔案:

學士,臺灣大學農化系(1969)

碩士,臺灣大學化學所(1972)

博士,喬治亞理工學院化學所(1977)

博士後研究,康乃爾大學(1977~1978)

博士後研究,普林斯頓大學(1978~1979)

美國德士古石油公司資深研究員(1979~1988)

美國殼牌石油公司資深研究員(1988~1995)

中興大學化學工程系教授(1995~2005)

臺灣大學高分子科學與工程學研究所教授(2005~)

中興大學材料系兼奈米中心主任(借調2009~)

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