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仿生槐葉蘋化身高效石油清道夫
本篇介紹仿生槐葉蘋浮葉表面毛狀體微結構的奈米纖維毛「Nanofur」,具有超級疏水性和高吸油性,可只吸石油不吸水,能高效清除海上漏油,吸油後還能回收溢油再利用,為經濟和環保的人工除油和吸油劑
 
 
 
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

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