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以鮑魚為師

相對於以往人定勝天的觀念,現在科學家多抱持著跟大自然學習的態度,期待能發掘大自然的智慧。「仿生學」的蓬勃發展,就是最具代表性的例子。
 
 
 
相對於以往人定勝天的觀念,現在科學家多抱持著跟大自然學習的態度,期待能發掘大自然的智慧。「仿生學」的蓬勃發展,就是最具代表性的例子。

仿生學是藉由觀察、模擬自然界中各種生物與生俱來的獨特性質,包括結構、功能或外顯行為等,甚至在體內引發的物理及化學過程,提供一種有別於傳統材料的設計途徑和系統架構的研究方向。

國內仿生技術的著名學者陳柏宇教授,自美取得博士學位後回到母校清華大學,持續從事仿生學研究。他觀察鮑魚殼內的珍珠層,發覺鮑魚殼的成分有95%是碳酸鈣,這也是粉筆的主要成分,但粉筆非常脆裂,鮑魚殼則很堅韌。為什麼?

經由微米尺度與奈米尺度的觀察,陳教授發現在微米尺度下可以看到像磚瓦排列的規則結構,其中磚塊部分是碳酸鈣,水泥部分則是有機高分子,以幾丁質和蛋白質為主。而在奈米尺度下,還會看到特殊的顆粒分布。

在鮑魚殼中比率不高的有機高分子材料,有規則地膠黏起易碎的碳酸鈣,在受到外力時可以緩衝並防止局部的裂縫擴張,因此提高了韌性。其層狀結構使光在其中會因光行差而造成干涉,因此有炫麗的光彩。

之後,陳教授利用反應式磁控濺鍍與脈衝雷射蒸鍍系統,合成仿鮑魚殼層狀結構的陶瓷和高分子多層鍍膜。陶瓷的物理性質很好、耐腐蝕、耐高溫,但因為容易碎裂,所以降低了應用性。如果能使這種材料模仿鮑魚殼結構的方式就能提升韌性,將對太空、醫藥、食品、化工、光電等行業有很大的助益。

雖然目前這個仿生複合材料還在研究階段,但初步成果已顯示這設計能提升材料的韌性。陳教授的團隊目前也研究以冷凍鑄造法合成陶瓷基複合材料,希望找到更有效率的合成方式,以擴展陶瓷的應用。

另外,螃蟹殼、貝殼、骨頭、牙齒等也是以陶瓷成分為主的複合材料,具有優良的機械性質,但結構各不相同,譬如螃蟹殼是由幾丁質與礦物質以螺旋狀堆疊、貝殼則是平板狀結構。這些結構哪種最好呢?陳教授希望未來能找到不同結構所對應的各類物理性質,進而在應用上推出最佳化的設計。
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