仿生槐葉蘋的冠狀頭合成毛可從空氣集水

 
2017/05/22 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所     341
 

義大利科學家領導的跨國研究團隊模仿漂浮性水生蕨類人厭槐葉蘋(Salvinia molesta)葉片表面微結構毛狀體,製造出具有空氣集水能力的仿生冠狀頭合成毛,能將空氣中的濕氣局部凝結成水滴,應用於汲取空氣中蘊含卻未被利用的豐沛水資源。此種使用雷射直寫微影製程(direct laser lithography)的新材料,具有尺寸縮小約100倍的3D微構形表面,微尺度的合成毛可達亞微米解析度(submicrometric resolution),當浸入水中時,合成毛的微構形表面可類似天然葉片微結構般顯示保留空氣和疏水性特性。研究成果於2015年11月發表在《ACS應用材料與介面》(ACS Applied Materials & Interfaces)期刊。

 

人厭槐葉蘋屬於水龍骨目(Polypodiales)槐葉蘋科(Salviniaceae),葉片可分為綠色卵狀浮葉和棕色變態葉,浮葉表面密佈具冠狀頭(或稱打蛋器)的毛狀體,結構細分為高1.5公釐(mm=10-3m)圓錐狀小突起(莖),在頂部分成四根略彎細毛,末端融合形成高約500微米(µm=10-6m)的冠狀結構。除頂點外,覆蓋具低表面能的蠟晶,提供微奈米尺度的高粗糙性和高疏水性;具親水性的光滑頂點則由一小群死細胞組成,是確保水滴的錨定點。當浸沒水中時,毛狀體末端細毛能抓住水分,封住內部空氣膜、保留空氣層,仍能進行蒸發和絕緣作用,因此在洪水淹沒期間亦可存活。空氣膜的長期穩定性是由疏水性、微尺度或毫米級尺度的毛、額外的微細結構(例如脊起、毛、或蠟)、微米或奈米腔、和彈性結構等五個表面特徵造成。

 

義大利技術研究院(Istituto Italiano di Tecnologia)神經科學暨腦科技部門組長馬托里(Virgilio Mattoli)博士領導的跨國研究團隊,以3D雷射直寫微影製程製造仿生冠狀頭合成毛,將又名感光抗膜或光阻劑的光刻膠(IP-DiLL photoresist,即環氧樹脂基抗蝕劑)刻在玻璃上,每根合成毛的莖高7微米、直徑1.5微米,頭部厚1微米、直徑6微米,由三個圓圈彼此旋轉60度、相互交叉構成,具良好機械性能,微小尺寸和高長寬比的冠狀頭合成毛浸泡水中時,在玻璃上的位置固定、結構穩定,不會倒塌崩解。

 

研究團隊先以2D六邊形格狀結構排列製作合成毛樣本,每根毛的莖間距離9微米,不同毛的冠狀頭細毛間最小距離約3微米,使用共軛焦顯微鏡檢測各種不同組合(例如莖高7、10、13微米,頭部圓圈3-6個等)時,冠狀頭內和莖間的水或空氣效果,發現玻璃基底和合成毛冠狀頭間存在穩定的空氣層,證明新材料能複製人厭槐葉蘋葉片毛狀體的捕獲空氣功能,且合成毛冠狀頭的尺寸、厚度、和圓圈數會決定固液態和固氣態介面的數量,影響捕獲空氣的能力。

 

他們再採用電阻較低的矽取代玻璃為基板,以矽晶圓為材料修改設計優化仿生合成毛,每根毛的莖高維持7微米,但頭部改由四個圓圈相互交叉構成厚650奈米(nm=10-9m)、直徑4微米,莖間距離5微米,冠狀頭細毛間最小距離約2微米,測試含20x20根合成毛的正方形樣本,結果可捕捉空氣且冠狀頭部開始凝結成液態微水滴,並環繞著莖間增長,充滿整個空間並達基底,最後形成平坦的液滴,證明此種結構真正具有從空氣集水的特性。

 

在相同基底材料上透過調節幾何形狀、尺寸、和莖間距離三種屬性,可製造不同功效的3D微構形表面,產生新型的功能結構化表面,即使採用親水性材料製作仿生合成毛,甚至以玻璃或矽晶圓等不同基底材料製造這種微尺度結構,只要遵循相同步驟,實際上亦無任何限制,依然能展現明顯的空氣捕獲、疏水性、和促進環境濕氣局部凝結成液態水等特性。研究團隊未來將持續改善優化這種微構形表面的濕潤度、保濕性、和凝結率,應用於例如從含水空氣中收集水分引導流入水庫系統的集水產品,解決乾旱地區缺水問題,或開發工業熱交換器用之相變化導熱材料等。

 

(以上新聞編譯自2015年11月11日發行之ACS Applied Materials & Interfaces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

 
 
  • 來源:
     
    • Tricinci, O., T. Terencio, B. Mazzolai, N. M. Pugno, F. Greco, and V. Mattoli. 2015. 3D Micropatterned surface inspired by Salvinia molesta via direct laser lithography. ACS Applied Materials & Interfaces, 7(46): 25560-25567 (+ 12 pp. Supporting Information).
     
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