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仿生豬籠草(四):全新智能超滑塗層SLIPS

本篇介紹二齒豬籠草捕蟲籠唇部具超雙疏表面特性,依其疏流原理研製的注液光滑多孔表面SLIPS,幾乎能排斥含血液、油的任何液體,有自我潤滑、自我修復、和自我清潔功能,可廣泛應用於不沾鍋、防冰塗層、微流體裝置、生醫器械等方面。
 
 
 
科學家以往認為食蟲植物豬籠草的捕蟲籠會讓靈活的昆蟲滑倒跌入籠內,主要原因是內壁覆蓋一層非常光滑的蠟質,昆蟲接觸後容易站立不穩而滑落,即使掙扎也因太滑難以攀爬逃脫,但是二齒豬籠草(Nepenthes bicalcarata)的捕蟲籠內壁幾乎沒有光滑的蠟質區,顯然捕蟲另有關鍵機制。經觀察發現,大雨過後,走到二齒豬籠草捕蟲籠濕潤唇部的螞蟻接連掉落陷阱,但若將螞蟻放到曬乾的唇部上就不易滑落,如再用水將曬乾的唇部弄濕,螞蟻又會再次滑落,經對其他種豬籠草試驗的結果亦同。

因此研究焦點從捕蟲籠的蠟質區轉為唇部,已知二齒豬籠草唇部能分泌散發香味的蜜汁,吸引昆蟲、蜘蛛、甚至小青蛙前來,蜜汁、雨水或夜間露水都會形成濕滑的超親水性(superhydrophilicity)表面,再加上唇部表面微結構只允許昆蟲朝向籠內行走爬動,因此這些獵物最後只能直接滑進籠內,成為豬籠草的營養。

回顧1977年以來,人造疏水材料最著名的仿生對象是蓮葉,葉面的特殊紋理結構會形成一個空氣墊、讓水滴聚集滑落,科學家藉此研發的超疏水材料,卻會因為壓力改變或高溫,使油、有機物或血液等表面張力小於水的複雜液體滲入材料表面,導致疏油和疏水性有限而無效;甚至當這些材料表面被刮擦或在高壓或低溫等極端條件下,反而造成液體黏附或沉積,破壞原本的疏水性,且無法自我修復。這些微觀結構尺寸小於髮絲直徑的疏水性材料因為製作困難,生產成本高昂,也促使產、學界持續尋求更佳解決方案。

因此豬籠草捕蟲籠唇部的超雙疏表面特性,成為改善仿生蓮葉材料缺點的最佳選擇。哈佛大學艾森伯格(Joanna Aizenberg)教授帶領的研究團隊於2011年9月在《自然》(Nature)期刊發表仿生豬籠草捕蟲籠唇部的疏流原理,製造出一款超滑的塗層材料「注液光滑多孔表面」(slippery liquid-infused porous surfaces,簡稱SLIPS),他們發現只要藉助如水、油或有機溶劑等合適的潤滑液體,使用現有疏水材料就可模仿豬籠草特性,這款新的表面可用任何有紋理、表面粗糙且多孔的微米或奈米材料當基板,製造出幾乎可以排斥任何物質的疏水表面,不僅光學透明度增強,幾乎能排斥包括血液、油在內的任何液體,甚至在高壓、冰凍等極端環境條件下,仍能保持排斥液體或固體的能力;同時SLIPS也是一種具有自我修復功能的材料,即使部分表面被利刃刮壞,儲存在液面下方微孔內潤滑液於0.1-1秒就能自動補充,保持液膜完整性,回復其疏流疏油性能。這項功能強大到能排斥各種液體的人造表面,對生物醫學設備、燃料運輸、至建築等領域都產生廣泛的技術影響,也成為近年熱門的研究議題。

SLIPS採用具極高光滑性和低表面能,耐高溫且摩擦係數極低,普遍用於不沾鍋和水管內層的工業用塗料鐵氟龍當基板,潤滑液是全氟化液體(perfluorinated fluids,3M的氟化液商品Fluorinert FC-70),將潤滑液流體注入多孔基板固體時,與表面化學性和粗糙度相符的流體均勻浸潤基材表面,透過毛細芯吸作用(capillary wicking)充滿所有孔隙,自動擴散到整個基板,就能形成表面只有數奈米厚的液膜外塗層,鐵氟龍基板加工後的表面就擁有超滑特性,且觸感仍然乾燥,但其他液體卻會在表面打滑,不僅能滑倒螞蟻,還能排斥多種固體和水、碳氫化合物、原油、酒精、血液等液體,只需2度的傾斜角度就可使液體或固體從表面滑落(其他材料表面的最小傾斜角度為5-30度);甚至在嚴寒中SLIPS還能排斥冰,測試確認可承受676大氣壓(相當於海平面以下7公里)的高壓及潮濕、低溫等極端條件,仍保持其表面特性。如果改採具有配合折射率的基板和潤滑液材料,SLIPS可運用於增強可見光或近紅外線波長中的光學透明度。

具有穩定性及獨特的自我潤滑、自我修復和自我清潔功能的全新智能超滑塗層材料SLIPS,為固態、液態間排斥問題提供一種簡單而多用途的解決方案,超越目前天然和人工的同類產品,不僅能在各種環境下發揮作用,而且成本低、製造簡單,還能視用途選擇各種透氣材料和多種潤滑劑改進升級。此仿生技術可廣泛作為防冰、抗腐蝕和抗菌塗層、微流體裝置、紡織品、油水分離、水脫鹽/淨化、光學裝置、感測器、電池和催化劑等用途,以及應用於醫用導管等生醫器械防污防菌、燃料和水等流體處理和運輸管道、極地或深海探測嚴苛條件下所需的防結冰設備、建築或設備的防污和防凍、不留指紋或亂畫痕跡的抗黏附表面、具自潔功能的窗戶、無菌無垢的人工植入裝置表面等方面。

(以上新聞編譯自2011年9月22日發行之Nature期刊等)
(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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