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薄膜科技的應用:什麼是薄膜–從馬克斯威爾的幽靈談起

經過千萬年演化出的生物細胞膜,已發展出一套十分有效率的分子辨識和進出管制方法。細胞膜是目前已知法力最高強的馬克斯威爾幽靈,可以最小的能量分離混合物。
 
 
 
西元 1867 年,近代電磁學理論的創始人馬克斯威爾(James Clerk Maxwell)提出了一個著名的假想實驗。

他假設在兩個連通的容器間有一個可以辨識分子的幽靈,幽靈手中掌握了連通口柵門的開關。容器中有兩種分子,一種運動速度快,另一種運動速度慢。當左邊容器中運動速度快的分子靠近連通口時,幽靈會把柵門打開讓分子跑到右邊容器中,然後馬上關上柵門。當右邊容器中運動速度慢的分子靠近連通口時,幽靈也會打開柵門讓分子跑到左邊,然後關上。幽靈持續管制分子的進出,時間久了之後,大部分速度快的分子會跑到右邊的容器中,速度慢的分子則會集中到左邊。

這樣的幽靈可以把原本混合均勻的兩種分子分開,因此系統變得較有秩序,亂度(entropy)因而減少。而且依據分子動力學,分子速度快的系統溫度較高,慢的系統溫度低,兩容器會產生溫差。這樣的結果會違反熱力學第二定律,因此,馬克斯威爾提出:只要有上述的幽靈存在,熱力學第二定律(系統應朝向亂度高的狀態演變)就不成立。這種可以辨識分子並管制其進出的幽靈,就被稱為馬克斯威爾的幽靈(Maxwell's demon,或稱馬克斯威爾的惡魔)。

馬克斯威爾的假想實驗,或許只是想跟研究統計熱力學的學者開個玩笑,卻引發許多後續的研究和討論。目前被大多數人接受的解釋是:馬克斯威爾的幽靈在進行分子的辨識和進出管制時,不可能如馬克斯威爾假想的完全不耗損能量或不增加亂度,只要把幽靈所需的能量或所增加的亂度納入考量,還是不會違背熱力學第二定律。不過這個假想實驗指出,以辨識分子並管制進出的方式分離原本混合均勻的兩種分子,是最節省能量的分離方法。

理論上,以上述的方法分離兩種沒有交互作用的分子的均勻混合物時,有機會在只使用最小能量(根據熱力學第二定律,就是補償分離後的亂度減小所需的能量)的狀態下,達成分離的目標。因此,馬克斯威爾幽靈的法力雖然無法高強到讓熱力學第二定律不成立的地步,但只要有可以辨識分子並管制進出的幽靈存在,就有機會在不違反熱力學第二定律的狀況下,以最小的能量分離混合物。當然,所需能量的大小和幽靈的法力高低有關。

自然演化的薄膜

具有辨識並管制分子進出能力的馬克斯威爾幽靈,事實上老早就存在於生物體內。在馬克斯威爾提出幽靈假想實驗的一百多年前(西元 1748 年),法國修道士(也是著名的物理學家)Jean-Antoine Nollet 就觀察到豬膀胱壁會讓水通過,卻幾乎不會讓酒精(乙醇)透過。後來法國生理學家 Henri Dutrochet 發現細胞膜也具有選擇分子的能力,只讓水透過而不讓鹽透過,在 1826 年的一篇論文中稱這種現象為滲透(osmosis),且確認細胞膜是半透膜,開啟了人類對半透膜和滲透現象的研究。

隨著生物學和生理學的進展,科學家發現生物體內到處都有具選擇分子能力的半透膜,如腎小球處的血管壁可以讓尿素、尿酸等小分子透過,卻不讓血液中的蛋白質和血球透過;肺泡表面微血管則對氣體有很高的通透性。到了 20 世紀,當科技進展到可以分析細胞膜的結構和功能時,人類更進一步認識到,生物經千萬年演化後,所發展出來幾近完美的分子辨識和篩選能力。

細胞因有維繫生存和展現功能的需求,確有需要發展出控制分子進出細胞膜的能力,可以從周遭的環境中選擇需要的分子,讓它進入細胞,而把不需要的物質阻擋在外或加以排除。細胞若能用最少的能量維持生命和功能,在生存的競爭中當然占有優勢。經過千萬年演化出的生物細胞膜,已發展出一套十分有效率的分子辨識和進出管制方法,細胞膜是目前已知法力最高強的馬克斯威爾幽靈。

管制分子進出的方法

生物體管制分子進出最簡單的方法是利用分子的大小,如微血管就以血管內皮細胞間的孔隙管制分子的進出,比間隙大的分子(如血球、血蛋白等)就留在血管內,較小的分子(如水、離子、葡萄糖、尿素等)就可以隨意進出。細胞膜當然也可以利用分子大小管制物質進出,不過因為特別的需要,細胞膜會利用它的特殊結構更精細地管制分子進出。

細胞膜主要是由磷脂質分子以雙層排列的方式構成的,磷脂質是雙性分子,有親水的基團和疏水的基團。在細胞膜的雙層結構中,磷脂質的親水端朝向細胞內部和外部,疏水端則埋於膜內。這種脂雙層結構使得細胞膜較有利於脂溶性分子透過,而對水溶性分子形成穿透障礙。另外有一些蛋白質會嵌插在脂雙層結構中形成通道,這些通道是離子和一些水溶性分子進出細胞的門窗,細胞可以利用開關這些門窗管制離子和水溶性分子的進出。

上述的脂雙層是所有細胞的共同結構,但蛋白質構成的通道會因細胞功能的不同而發展出差異。以下簡單介紹細胞膜管制分子進出的方法。

利用分子大小的差異 當某分子在不同位置的濃度有差異時,分子會從濃度高處往濃度低處移動,稱為擴散。分子可以藉由擴散作用透過細胞膜,一般而言,較小的分子可避開脂雙層中磷脂質疏水基團的影響而擴散通過細胞膜,稱為直接擴散。較大的分子則無法避免和磷脂質疏水基團的交互作用,要在周圍是疏水基的環境下進行擴散,很像是先溶解於疏水基團中再進行擴散,通常稱為溶解擴散。不論是直接擴散或是溶解擴散,擴散速率都和分子大小有關,較大分子的擴散速率較慢。

水分子非常小,一般相信可以利用直接擴散的方式進出細胞膜,且進出的速度相當快,可視為細胞膜並不管制水分子的進出。較水分子稍大的一些水溶性分子(如尿素),也可利用直接擴散的方式進出細胞膜,不過因分子較大,進出速度就比水分子慢很多。更大一些的水溶性分子(如葡萄糖)和離子則無法進行直接擴散,須採用溶解擴散的機制,但因它們和磷脂質疏水基團間的親和性差(溶解性低),幾乎無法進入細胞膜,所以不能靠擴散機制進出細胞膜。

雖然水可以直接擴散穿過細胞膜的機制廣為學者所接受,但近年來研究顯示,細胞膜上有一些由蛋白質構成的水通道,水可以由這些通道直接穿過細胞膜。對水穿過速度較高的細胞膜(如腎臟的部分細胞),膜上的水通道才是水通過的主要途徑。

對脂溶性分子而言,由於和脂雙層的親和性較高,可以進行溶解擴散。細胞所需的氧氣和代謝後的二氧化碳,可以藉由這種機制穿過細胞膜。而分子量較大的脂溶性分子(如類固醇),也可以先溶解於脂雙層中再擴散進入細胞,不過擴散速率和分子量有關,較大分子的擴散速率較低。

利用分子和脂雙層間的親和性 對小分子而言,由於可以進行直接擴散,即使脂溶性低,仍可以穿透細胞膜。較大的分子則須以溶解擴散的機制透過細胞膜,這時細胞膜可以藉由分子的脂溶性對分子的透過速度加以控制。

脂溶性高的分子在膜中的溶解度高,單位體積內有較多的分子可以進行擴散,因此透過速度較高。而水溶性高的分子和脂雙層的親和性極低,脂雙層的結構形成了細胞膜對水溶性分子的穿透障礙,可以阻擋離子和較大水溶性分子(如葡萄糖)進出細胞。這些親水分子要進出細胞,需要依靠細胞膜上的通道。

細胞膜的脂雙層結構也會造成給藥到細胞內的困難。一般水溶性藥物無法直接透過細胞膜,通常是讓水溶性藥物和可以透過細胞膜的脂溶性分子結合,利用「攜帶穿越」輸送機制讓水溶性藥物穿過細胞膜。上述的方法常作為癌症治療的投藥方式,期能讓藥物進入癌細胞發揮功效。

利用具特殊辨識力的膜蛋白 細胞膜對許多分子具有辨識能力,能辨識出細胞所需的分子,允許它們進入;也能辨識出細胞所不要的分子,不讓它們透過細胞膜,或是不停地把這些分子由膜內送至膜外。

前述的分子大小和脂溶性,是脂雙層區別分子的方法,但只是對分子進行分類,並非精準的辨識,無法對分子進行嚴格的進出控管。細胞膜蛋白形成的通道則能對分子進行精準的辨識,可以利用蛋白質的結構辨識分子的形狀、大小和電性,挑選出可以進出細胞膜的分子。或許,離子、葡萄糖等水溶性分子對細胞而言是太重要的成分,細胞必須能有效管制它們進出,才能維持細胞功能,因而發展出如此細緻的細胞膜架構和有效的分子辨識方法。

細胞有許多和分子輸送有關的蛋白質,可大致分為通道蛋白(channel protein)和攜帶蛋白(carrier protein, 或稱載體蛋白)。通道蛋白嵌插在脂雙層中形成具特定結構的空隙,只有具適當形狀、大小和電性的分子可以從空隙通過,這些空隙就稱為通道。離子要通過細胞膜,就必須經由這些通道。通常一種通道蛋白只能讓一種特定的離子通過,對離子的挑選能力非常強,如鈣離子、氯離子、鈉離子、鉀離子等都有專屬的離子通道。有些通道還有類似開關的裝置,要在和某種特定分子結合或在膜外有特定的電位差時才打開。

攜帶蛋白則會和特定分子結合,結合後蛋白質結構間的空隙會變大,讓分子穿過而進入到細胞內,以所謂「協助輸送」的方式通過細胞膜。葡萄糖是水溶性分子,幾乎無法利用溶解擴散的機制進入細胞,細胞就是利用攜帶蛋白從胞外把葡萄糖送入胞內。攜帶蛋白對分子的專一性非常高,如葡萄糖的攜帶蛋白就只對葡萄糖進行攜帶作用,對和葡萄糖分子結構十分類似的果糖(葡萄糖的鏡像異構物),就無法結合和攜帶,挑選分子的本領非常高強。

利用 ATP 幫浦的主動傳輸 不論是直接擴散、溶解擴散,或是利用膜蛋白挑選分子的離子通道和協助輸送,分子都是由高濃度處往低濃度處運動,也就是膜內濃度低的分子會由膜外往膜內運動,而膜內濃度高的分子會往膜外運動。但有時細胞為了維持某些功能,須讓分子從濃度低處往濃度高處運動。最著名的例子就是細胞膜外的鈉離子濃度遠比膜內高,但細胞還是可以把鈉離子往膜外送,鉀離子則是膜內濃度比膜外高,但細胞仍會把鉀離子送入膜內。

分子由濃度低處往濃度高處移動的逆濃度輸送行為,稱為「主動傳輸」,需要供給能量才會發生,就如同把水由水位低處送至水位高處需要幫浦供給能量。主動傳輸只會用來輸送某些特定分子,因此需要專一性很高的膜蛋白來協助達成。細胞膜有特殊的膜蛋白,在和提供能量的腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)結合後,可以把鈉離子送往膜外而同時把鉀離子送至膜內,所需的能量可由 ATP 轉成腺嘌呤核苷雙磷酸(ADP)時獲得。這種鈉鉀離子進出細胞膜的方式,通常稱為鈉-鉀幫浦。

人工製造的薄膜

西元 1860 年左右,大約和馬克斯威爾提出幽靈假想實驗的同時,英國化學家 Thomas Graham 利用羊皮紙來分離水溶液中的物質,比羊皮紙中孔洞大的粒子會被阻擋下來,而比孔洞小的粒子可以通過,他稱這種現象為透析(dialysis)。約在同時,德國生理學家 Adolf Fick 以硝化纖維素做出了有孔洞的膜,可以進行透析。直到今日,以透析法分離不同分子量的混合物,仍十分廣泛地應用在各種產業中。

後來人類了解腎臟的運作事實上也是一種透析現象,讓較大的血球、蛋白質留在血液中,而讓水分、尿素、離子等較小的分子透過腎小球處的血管壁進入腎小管中。因此,就有人使用人造的透析膜來代替腎臟,幫腎臟功能喪失的病人進行血液透析,開啟了人工腎臟(或稱為血液透析機)的研究,也打開了透析膜的市場。

人類自發展出製造薄膜的技術開始,就不停地嘗試以人造薄膜取代自然演化出來的薄膜,並尋求薄膜的應用。不過初期因為大規模的製膜技術無法突破,且薄膜價格高昂,市場並不大,應用大多局限在實驗室中。

薄膜大量的應用開始於二次世界大戰的德國。在戰爭期間,由於各項設施受到破壞,衛生條件不佳,無法保障居民飲水的水質。為了確保水質未被細菌污染,便發展出以薄膜加速細菌培養的方式來檢驗水質。當水透過薄膜時,如果薄膜孔徑比細菌小,細菌就會留在薄膜上,再把這些薄膜上的細菌加以培養,就可以快速檢驗出水質受到細菌污染的情形。

這項水質檢驗技術讓薄膜的需求大增,薄膜大量應用因而開始,這種能阻擋細菌的薄膜稱為微濾膜。美國在戰後也開始發展微濾膜的技術,扶植出著名的 Millipore 公司,直到現在,微濾膜技術仍是薄膜在市場上最大的應用。

另一個很重要的薄膜應用是逆滲透(reverse osmosis),相關的研究源自於人類發現細胞膜可以讓水透過,但會阻擋鹽類透過。有人在 1931 年提出可以用這種阻擋離子透過的薄膜進行海水淡化,並稱這方法為逆滲透:加壓讓含鹽的水透過薄膜,由於鹽類被阻擋,可以得到純度很高的水。到了 1959 年,已可以利用醋酸纖維素(cellulose acetate)製備出透水但會阻擋鹽類的薄膜,不過由於需要很高的壓力才能讓水透過,因此無法商業化。

此問題在 Lobe 和 Sourirajan 兩位學者提出了醋酸纖維素的非對稱膜製程才得到解決(請參閱本專輯的〈最小心眼的薄膜—逆滲透膜與奈米濾膜〉),從 1963 年起,逆滲透除鹽程序開始真正商業化。自此而後,解決了許多薄膜分離程序的應用障礙,越來越多的薄膜程序得以商業化。

自非對稱膜的觀念和製程提出後,先是逆滲透膜除鹽程序正式商業化,接下來 Amicon 公司推出了孔洞大小介於微濾膜和逆滲透膜之間的超濾膜,1970 年後超過濾程序的商業化也陸續完成。由於膜分離程序的省能源性,越來越多的薄膜製程被推出來和傳統耗能的分離程序競爭。

隨著能源價格的高漲,這些薄膜程序也越來越有競爭力,其中包含了可以用來分離氣體混合物的氣體分離膜(1980 年由美國Monsanto公司率先推出氫氣分離膜),和分離液體混合物的滲透蒸發膜(1982 年由德國的 GFT 公司正式推出可分離乙醇和水的薄膜)。

從 1860 年代 Adolf Fick 製備第1張硝化纖維薄膜開始,在大約 150 年期間,已有許多商業化的薄膜程序。隨著材料技術的進步,薄膜的分離效果越來越好,價錢越來越低,應用也越來越廣。目前每年全球的分離膜市場約為 110 億美元,再加上 13 億美元左右的血液透析膜市場,已是應用相當廣的技術。扮演馬克斯威爾幽靈的人造薄膜已到處可見,而未來的成長會更可觀。為了因應此一趨勢,中原大學在 2000 年成立薄膜技術研發中心,致力於薄膜分離技術的開發與整合。

人造薄膜的製作方法

在天然薄膜和人造薄膜的發展歷史中,兩者相互影響。當人類了解有天然薄膜存在時,就開始追尋以人工的方法製造出功能類似的薄膜。在人工薄膜發展成功後,在實驗室中發展出許多薄膜透過機制的理論,讓天然薄膜的功用和原理越來越清楚。就目前的知識和技術看來,用人工薄膜來控制分子進出的方法,事實上都早已存在於天然薄膜中。以下簡介人工薄膜常用來管制分子進出的方法。

控制薄膜孔洞大小 利用大小來區別分子,阻擋大過薄膜孔洞的分子,而讓較小的分子通過,是最簡單的分子管制方法。能否製備出具有適當孔徑的薄膜,是能否利用這方法分離分子的技術關鍵,而薄膜的阻力大小(和分離所需的能量有關)是薄膜是否具有商業競爭力的重要指標。

以下簡介製造薄膜孔洞的常用方法。製造孔洞的常用方法分為兩大類,一是微、奈米級孔洞的製造方法,通常用來製備微濾、超濾程序所用的薄膜;另一是分子級孔洞的調控方法,是用來製備逆滲透、氣體分離和滲透蒸發所用的薄膜。

微米級孔洞製備技術是薄膜製備技術中發展最久也最成熟的部分,已發展出包括燒結法、拉伸法、蝕刻法、模板法、溶膠-凝膠法、相分離法等。除拉伸法外,這些方法也可以用來製備具奈米級孔洞的薄膜,配合近 20 年來在奈米材料科技上的快速發展,奈米級孔洞的控制技術也逐漸成熟。但如何以低成本的大規模連續製膜技術製備出孔洞大小均勻的薄膜,仍是十分嚴苛的挑戰。

要控制分子級孔洞的大小,須建立能改變薄膜材料分子間距離或分子運動的技術。目前常用的方法有改變薄膜材料的分子結構,使成膜時分子堆疊距離發生改變;改變高分子鏈和鏈間的交聯情形,以改變高分子的堆疊和運動;控制分子的結晶行為,改變薄膜材料分子間的排列,進而改變分子間的距離。

調整分子和膜材間的親和性 如果薄膜孔洞比透過的分子大很多,當分子通過時,就幾乎不受薄膜材料的影響。但若孔洞和分子大小差不多,在穿過薄膜時分子受到薄膜材料的包圍,這時分子和薄膜材料間的親和性就會影響透過速率。對孔洞和透過的分子差不多大的薄膜,常用溶解和擴散來描述分子透過薄膜的行為,分子透膜速率決定於分子大小,以及分子和材料間的親和性,這和分子透過細胞膜脂雙層的行為類似。

在氣體分離、滲透蒸發等分離程序中,可以利用提升薄膜材料和透過分子間親和性的方法,使得大分子的透過速率反而較小分子高。例如在進行二氧化碳和氮氣的分離時,氮氣分子較二氧化碳分子稍小,理論上氮氣分子的透過速率應稍高,但許多高分子材料和二氧化碳的親和性比氮氣高,因此常看到二氧化碳的透過速率比氮氣高,有時可高達數十倍以上。另有一個例子:水分子比乙醇分子小很多,通常水的透過速率比乙醇高,但選擇和乙醇親和性高的材料來製膜,可以讓乙醇透過薄膜的速率比水高。

調控薄膜的電性 在離子透過薄膜時,薄膜可以利用本身的電性來選擇離子。帶正電的薄膜可以阻擋高價數的正離子而讓單價的正離子透過;反之,帶負電的薄膜可以阻擋高價數的負離子而讓單價的負離子透過。目前商業化的正、負離子膜比起細胞膜,在功能上仍遜色很多,細胞膜可以同時有不同離子的離子通道,這些通道具有非常高的選擇性,可以控制不同離子進出細胞膜的速率。

把離子通道的觀念引入人造薄膜是相當熱門的研究方向,例如在燃料電池中的質子傳輸膜,是一種負離子膜,有研究嘗試把質子可以通過的負電區域集中成離子通道,這通道只能讓離子通過而不讓燃料通過,可以達到提高電池效率的目的。人類向細胞膜學習以提高人造薄膜的效率,已逐漸成為研究上的新趨勢。

植入辨識目標分子的結構物 不論以分子大小、電性或和膜材的親和性來做為管制分子透過薄膜的方法,都只能依分子類別選擇分子,無法達到精細挑選分子的目的。若兩分子的類別容易區分(如大小相差很多,電性相反,或和膜材的親和性相差很遠),或許可以利用上述方法加以分離。但若分子屬於相同類別,勢必要能辨識分子,才能有較佳的分子選擇性。

生物體辨識分子的方法常利用分子的結構,特定的分子通常只能和生物體內具特定結構的蛋白質結合,因此可用這種特定蛋白質辨識這個分子,例如用抗體辨識抗原、挑選特定的酵素辨識特定分子。

目前人類在辨識分子的研究上雖有些進展,但和生物體相比,仍是十分落後。要製備具分子辨識能力的薄膜,目前是針對要分離的分子尋找自然界中是否有可以和它結合的特定分子,再把這些特定分子摻入薄膜中,希望它們能發揮分子辨識的效果。相關研究在近幾年來進步非常快,但要趕上細胞膜辨識分子的精確性和高效率,仍是遙遙無期。

向細胞膜學習

馬克斯威爾幽靈的主要法力是能夠辨識分子並管制進出。我們現在已經知道分子辨識和進出管制,仍需要能量或增加系統亂度,因此馬克斯威爾幽靈並不會違反熱力學第二定律。但只要能提升分子辨識和進出管制技術的效率,就有機會以較省能量的方式來分離混合物。

可能是生物體在演化過程中會找到最省能量的方法來維持生存,因此細胞膜所發展出來的辨識分子和管制分子進出的方法,精準的程度和高超的效率實在令人嘆為觀止。在人類發展的過程中,也一直希望能找到類似的技術,薄膜事實上就是辨識分子和管制分子進出的技術。雖然現在已大量使用薄膜技術,但目前擁有的技術和細胞膜相較,仍是十分落後。或許,應當努力向細胞膜學習,才能突破目前技術的瓶頸,而有機會讓法力高強的幽靈現身。
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