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仿生企鵝羽毛新材料可防冰抗凍

本篇介紹在寒冷地區生活的企鵝,其羽毛能防水和防止結冰,據此研發類似結構的仿生聚醯亞胺奈米纖維膜,具超疏水性且更不吸濕,並能防冰和抗凍,效果優於現有絕緣材質,亦可應用在超級保暖防寒衣物用品
 
 
 
企鵝通常生活在平均溫度在攝氏零下49度的南極,能在如此寒冷的棲地活動卻未凍成冰塊的秘密,就成為科學家探討的主題。中國北京航空航天大學與中國科學院理化技術研究所等跨機構研究團隊,發現洪堡企鵝(Spheniscus humboldti)羽毛具有防水和防止結冰的微觀結構,研發出由聚醯亞胺(Polyimide)奈米纖維電紡絲(electrospinning)製成的仿生防冰疊層奈米纖維薄膜,並提出這種羽毛的疏水性和抗凍性模型,除能有效防水外,其防凍效果更優於絕緣材質。

這項成果今(2016)年2月發表於美國《物理化學期刊C》(The Journal of Physical Chemistry C),未來可用以製造防止表面結冰的材料,運用在需要防止結冰的場合,例如製成適合嚴寒或極端條件的超級保暖防寒衣物用品、應用於船舶和飛機表面的抗凍防冰塗層、在深海、高山或極地使用的輸油管、海底電纜等各項管線設備的絕緣層表面、航太工業的太空裝置設備、建物屋頂或外牆、冷凍空調或其他電氣設備的外殼或零件管線等,即使遭遇致命的冰雪風暴也不會因結冰導致破裂故障。

洪堡企鵝屬於企鵝科(Spheniscidae),又名漢波德企鵝或洪氏環企鵝,胸前環繞一道寬帶就像圍著黑色的圍巾,在國際自然保護聯盟瀕危物種紅色名錄列為易危等級,是一種不會飛行、卻很會潛水的鳥類。本種分布在南美洲秘魯和智利沿岸到南緯40度,生活環境相對較溫暖,不低於攝氏零下10度,但也是常年生活在冰天雪地的環境中,需潛入低於冰點的海水中游泳覓食。牠們的鱗片狀羽毛特別短小但較厚,羽軸(rachis)寬短,羽片狹窄密集、重疊密接,均勻覆蓋體表,可防止海水滲透皮膚,並具保溫絕緣功效,即使在嚴寒低溫環境下,羽毛卻幾乎不會結霜或結冰,顯示優異的抗凍和防冰性。

以掃描電子顯微鏡觀察洪堡企鵝的羽毛有羽軸和兩片羽片,羽片上的倒鉤(barb)長度5-7mm,直徑25-30μm,沿著羽軸以20度角平行排列,倒鉤上有小羽枝(barbules),平均長度約300μm,直徑約7μm,排列方式類似支架,小羽枝上有許多鉤狀剛毛(hamuli),並以間距約20μm,直徑約3μm垂直鉤在小羽枝上,這些鉤狀剛毛互鉤後構成嚴密的立體微結構網絡,形成很多縝密的皺褶;倒鉤尖端有少許鉤狀剛毛,相鄰倒鉤間距為幾微米至幾十微米,沿著倒鉤方向有約100nm深的定向奈米級凹槽(oriented nanoscaled grooves)。

洪堡企鵝羽毛表面的微米級和奈米級分層粗糙結構能有效防止水分的浸潤,被粗糙微結構(即皺褶空間)捕獲的氣泡(air pockets)還可減少羽毛和水滴間的表面接觸面積,形成有效的熱屏障,阻止結冰期間的熱傳導,並降低冰黏附強度,因此企鵝翅膀表面不易結冰。以3μL體積水滴測試,發現它的平衡靜態接觸角(equilibrium static contact angle)達147度,顯示疏水性,儘管鉤狀剛毛的存在增強粗糙度及增加羽毛的疏水性,但增加的特定表面積卻加強了微水滴黏附,當單一含鉤狀剛毛的倒鉤表面和水滴間達到黏附力最大值23.4μN時,羽毛的斥水性會藉著倒鉤和小羽枝直徑和間距變化而增大,有效減弱水和冰晶的黏附。

研究團隊在不對稱電極上利用高壓電的電紡絲技術,使用聚醯亞胺奈米纖維模仿企鵝羽毛製造非常薄的輻射扇形羽毛,直徑為100-500nm,均勻且具有平滑的表面,相鄰纖維間的距離為幾微米至幾十微米,類似企鵝羽毛倒鉤尖端的結構。製造過程中其餘的奈米纖維隨機堆疊在輻射扇形的奈米纖維上,形成嚴密立體微結構網絡的仿生「聚醯亞胺奈米纖維膜」(polyimide nanofiber membrane),獨特疊層微結構形成表面化學物質的梯度密度(gradient density),成為接觸角和黏附力所需梯度變化,透過增加相鄰纖維間的距離,可固定微水滴的聚結而有效防止冰的黏附。測試時水滴在膜表面近似球形,具有非常卓越的超疏水性,且奈米纖維排列密集、間隙很小,彼此重疊形成的疊層使水滴不易滲透,比企鵝羽毛更不吸濕,用攝氏零下5度的冰水噴灑數小時也不會結冰,兼具良好的耐熱性。因此仿生聚醯亞胺奈米纖維膜的性能不僅優於真正的企鵝羽毛,而且未來可因應功能需求依其疏水性和抗凍性模型調整,產製出不同應用領域的相關防冰抗凍商品。
(以上新聞編譯自2016年2月10日發行之The Journal of Physical ChemistryC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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