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陶瓷與人類文明：以大自然為師–仿生陶瓷

93/03/08 9931

段維新｜臺灣大學材料科學及工程學系

您是否覺得金碧輝煌的宮牆樓瓦，秦俑戰士身上的盔甲，有許多神似的地方，它們的排列都很像魚身上的鱗。數千年前，中國人設計屋瓦，盔甲的靈感也許正是得自魚鱗，果真如此，中國人很早就有「仿生陶瓷」了。

再以電燈為例，距今一千七百餘年前仍未發明電燈時，晉朝的車胤已經知道利用收集螢火蟲來照明，而電燈燈管內螢光粉的作用也正與螢火蟲發光有許多異曲同工之處。如果當年晉朝已有專利制度，車胤很可能就不需靠捕捉螢火蟲來念書，已經成為大富翁了。

以大自然為師也許正是科學的起源，因絕大多數的科學都以觀察為起點，而大自然界的動物、植物及礦物提供了源源不絕的觀察對象，也啟發了人類無限的創意。在歷經數千年以大自然為師的過程後，科學的領域愈分愈多，也愈專業，材料科學逐漸成為一門獨立的學科，且隨著精密分析儀器的進展，製造工藝的突破，人工產品具有質佳價廉的絕對優勢，師法自然的必要性也漸為人們所淡忘。但在許多科學的發展遇上了瓶頸時，師法自然的重要性則又慢慢浮現。

以陶瓷為例，一九八○年代，歐美日等科技先進國家如火如荼地發展全陶瓷引擎，在一九八五年，陶瓷研發人員信心滿滿地預言一九九○年汽車用全陶瓷引擎可大量生產，而二○○○年飛機上也將使用全陶瓷引擎。但在政府及產業界投入天文數字的研究經費後，陶瓷材料的韌性及可靠度仍無法大幅提升，研究人員已放棄全陶瓷引擎的開發，取而代之的是小型陶瓷零件的製造，而研究規模也大幅縮水。

這時有少數學者開始思考突破困境的可能方向，以大自然為師的必要性又再度被重視，而「仿生陶瓷」遂重現江湖。

仿生學（biomimetic）這個字大約是在一九六○年首次出現，是指以模仿生物系統特徵或研發類似生物系統工作方式的科學。若搜尋工程學資料庫（engineering index），在一九七○年代時以仿生學為研發依據的論文只有二篇，一九八○年代也只有45篇，而一九九○年代時與研發仿生學相關的論文大幅增加到1,083篇，顯示仿生學已漸受重視。

在仿生陶瓷方面，學者先利用高解析度的電子顯微鏡觀察如貝殼、蛋殼、海膽脊椎等的微結構，這些有系統的研究發現生物體內的無機物大都以碳酸鈣為主，而有機物則以蛋白質為主。以海螺的貝殼為例，它是一種層狀堆疊的複合材料，其中碳酸鈣占九十九重量百分比，蛋白質只占所有重量的百分之一。碳酸鈣的晶粒大小只有兩百奈米長，一百奈米寬，且其中有大量的雙晶存在，而位於碳酸鈣晶界上的蛋白質尺寸更小，只有10奈米左右。

碳酸鈣強度低且極脆，但是貝殼的強度卻可高達100百萬帕（MPa），破壞韌性更可達 10 MPa．m^0.5以上，此韌性是玻璃的十倍以上，也是一般工程陶瓷的兩倍。海螺在室溫下，以便宜的原料碳酸鈣製造了性質優異的奈米複合材料。

貝殼之所以具有高韌性，與其特殊微結構有密不可分的關係。貝殼具層狀堆疊的組織，層與層之間的強度較碳酸鈣更低，在貝殼承受外力時，破壞裂縫會沿著層與層間移動，這種能量釋放的方式，裂縫較難快速傳遞，而使貝殼不易破裂。

藉由這些觀察，陶瓷學者開始模仿生物的微結構，重新設計及製造工程陶瓷。例如那時仍在華盛頓大學（目前在普林斯頓大學）的阿克塞（I.A. Aksay）教授對碳化硼／鋁複合材料系統，有系統地探討仿生陶瓷的優越性。

他的研究群先將碳化硼粉末混以金屬鋁粉末，以燒結方式製作顆粒韌化的陶瓷複合材料，其強度及韌性分別只有 50 MPa 及 2 MPa．m^0.5 。當他們以接近生物材料的微結構加以設計，以碳化硼層與金屬鋁層交互堆疊製作層狀複合材料，其強度及韌性則高達 350 MPa 及 16 MPa．m^0.5 ，是顆粒複合材料機械性質的八倍之多。

他們的層狀複合材料的陶瓷層厚度為150 微米，若陶瓷層厚度能減小到奈米尺度，則強度及韌性應可再大幅提升。可見透過模仿生物結構而製作的仿生陶瓷，有可能突破陶瓷的宿命–脆性。

生物（含動植物）經數十億年的演進，在歷經嚴苛非生即死的物競天擇的淘汰賽後仍能存活的，它們身上的材料也不斷改善，以求生存。現今的分析儀器更為精密，製造設備更為先進，例如最近的《自然》（Nature）期刊即報導了以掃描穿隧儀移動分子，證明製造的精準度已到達「埃」（angstrom，10^–10公尺）尺寸的境界。因此，模仿生物結構將更為精準，希望能透過模仿生物的研究，大幅改善陶瓷的性質，而擴展工程陶瓷的應用領域。

資料來源

《科學發展》2004年3月，375期，12 ~ 15頁

陶瓷與人類文明：以大自然為師–仿生陶瓷

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