仿生槐葉蘋化身高效石油清道夫
106/02/10
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賴婉婷｜
國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊｜
國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝｜
國立臺灣博物館
石油勘探、運輸、儲存、加工和使用都有溢油風險，尤其海上運輸漏油事件常造成嚴重的環境污染和生態浩劫。2016年8月，德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）霍爾舍（Hendrik Hölscher）副教授和波昂大學（University of Bonn）巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）教授共同在《生物靈感與仿生學》（Bioinspiration & Biomimetics）期刊發表仿生槐葉蘋屬（Salvinia spp.）葉片微結構能改良奈米纖維毛「Nanofur」，具有超級疏水性和高吸油性，可只吸石油不吸水，不但能應用於處理與清潔溢油，吸油後還能回收溢油再利用，是經濟、環保、高效的人工除油和吸油劑，取代現有清除溢油材料，解決海上漏油的污染問題，未來還能利用空氣阻隔特性發展新的絕熱介面，或應用於需在水中儲存空氣的結構，例如製造低摩擦阻力的船殼塗料等。
石油或燃油漏到海洋變成溢油時，會在海面形成油膜，降低光的通透性及產氧量，使海洋生物窒息死亡；若隨風浪吹向岸邊，經過的海洋生物、蝦蟹、浮游或附著生物等都可能沾染黏附而立即死亡，部分暫時存活者的體表皮毛可能喪失保暖和呼吸功能，或因沾黏無法游泳與覓食而難以存活。例如2010年4月美國墨西哥灣鑽油平臺爆炸、和7月中國大連新港油罐區爆炸兩起事件，共洩漏320萬桶石油污染海域，還有2016年3月德翔貨輪在臺灣石門外海擱淺斷裂的嚴重漏油，都造成巨大經濟損失和生態破壞。
溢油污染後，通常先對可能或已造成的生態損害進行預防和處理，著重海洋生物的搶救保育與生態環境的清理復原；同時控制和回收溢油減輕污染，主要分成物理、化學、和生物等三類處理法，或用助燃劑燒光漏油。但除耗費人力外，吸油材料會吸收海水而影響處理效率、殘留的油膜層和化學藥劑造成二次污染、燃燒法無法回收石油、還會產生有毒物質，造成的副作用甚至大於直接經濟損失。因此研究團隊選擇六種水生植物研發仿生吸油材料，觀察葉片表面微結構和測試吸油能力，包括水龍骨目（Polypodiales）槐葉蘋科（Salviniaceae）的人厭槐葉蘋（Salvinia molesta）、小槐葉蘋（S. minuma）、僧帽葉槐葉蘋（S. cucullata）、長圓葉槐葉蘋（S. oblongifolia）、天南星目（Arales）天南星科（Araceae）的大萍（Pistia stratiotes）和睡蓮目（Nymphaeales）蓮科（Nelumbonaceae）的蓮花（Nelumbo nucifera）。
槐葉蘋是漂浮性水生蕨類，葉片分為水面的綠色卵狀浮葉、和近似根可協助平衡植株的棕色變態葉，浮葉表面密佈由頂部長著細毛，由圓錐狀小突起組成的毛狀體（trichomes），由於能填滿空氣，構成浮葉的超疏水性（superhydrophobic）；細毛末端能抓住水分、並將內部空氣膜封住，為親水性（hydrophilic）微結構，可有效保留空氣層，減少葉片表面與水的接觸面積、剪應力及摩擦阻力，達到降低表面自由能（surface free energy）的效果，特稱為「槐葉蘋效應」（Salvinia effect）。此外，蓮花葉具有奈米級蠟晶體，覆蓋由乳突形成的微晶，是兩級分層表面結構；槐葉蘋和大萍葉則具有更複雜的三級分層表面架構，毛狀體或毛高約數百微米，含有用奈米級蠟晶體疊加的微小凸起細胞，可確保其浮力和存活，表面覆蓋的疏水性蠟還能避免水分過度蒸發、微生物和機械損傷、或水的降解作用（degradation）。
科學家測量四種槐葉蘋浮葉表面，人厭槐葉蘋的葉面積256mm2（=10-6m2，平方毫米），毛狀體結構是圓錐狀小突起，上接末端連結的四根細毛，形似打蛋器，高2,629µm（=10-6m，微米）；小槐葉蘋的葉面積23mm2，具有類似形狀的毛狀體，但四根細毛的末端散開，高919µm；僧帽葉槐葉蘋的葉面積156mm2，毛狀體是略彎的單一細長錐狀，高558µm；長圓葉槐葉蘋的葉面積543mm2，有圓錐狀小突起，上接末端連結的兩根細毛，朝相同方向彎曲，高310µm。
測試這四種植物每平方公分葉片吸附能力的公克量依序為650.0、319.3、313.5、441.1 gm-2，證實人厭槐葉蘋的吸油效果最好，其葉片放入油水混合物中數秒內即可吸油，30秒內可達最大吸附量，油可持續保留至數天後葉片代謝分解；而針對人造原油Grüssing Roherdölersatz PAE15805、液壓油Total Azolla ZS 10、和兩種原油MiRO OK 679及MiRO EK 651試驗也得知，當油密度和黏度愈高，人厭槐葉蘋的吸油能力愈大。並確定人厭槐葉蘋和大萍的吸油能力，均高於奈米纖維毛及市售兩種吸油劑OI-EX Allwetter Typ Ⅲ R及Deurex Pure。
槐葉蘋的毛狀體的高度、體積、獨特結構、和細毛剛性都會影響油的吸附力，尤其細毛末端形狀能決定油和空氣的接觸面積，細毛間的空間可用於存油，長毛吸油能力又比短毛高，具有適度彈性或剛性的細毛有適當彎曲度（末端連接且向下彎曲），能確保油和空氣界面被支撐，擁有較高的吸油能力、並能長期保留。若細毛彈性太高，反而發生極端變形彎曲；或末端未連接的單根毛狀體是無彈性細毛，無法支持油和空氣界面，均導致吸油能力降低。
研究團隊因此建立Nanofur原型的改善基準，先將鋼板噴砂產生微奈米尺寸的小坑洞，然後加熱粗糙噴砂鋼板，壓製到聚碳酸酯薄膜中熔化表面，當鋼板回縮時，從表面拉出仿生毛狀體結構細毛，仿製長且彎曲的連結末端，經測試Nanofur改良版具有類似槐葉蘋葉片的複雜三級分層表面結構，雖然尚未能完全仿製人厭槐葉蘋打蛋器形狀的毛狀體，但已可支撐油和水界面，細毛間空間能完全填充吸收的油，實現高效吸油容量且能油水分離，可用於環境清潔並化身高效石油清道夫，解決海上漏油的污染問題。
（以上新聞編譯自2016年8月16日發行之Bioinspiration & Biomimetics期刊）
（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）
責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館
審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館
