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水能倒流的仿生豬籠草人造薄膜

本篇介紹豬籠草捕蟲籠唇部的液體能克服地心引力,從低處往高處單向流動,根據唇部表面微結構和液體運輸機制,研發能讓水快速倒流的仿生豬籠草人造薄膜,將可用於新型定向流體運輸系統和擴展至其他領域應用
 
 
 
科學家發現豬籠草捕蟲籠唇部的液體竟能克服地心引力,可沿著單一方向從低處往高處快速流動,現已成功揭露水分定向連續運輸原理和機制,研發出能使液體無動力單向流動的仿生豬籠草人造薄膜,可不費力地讓水倒流,經測試這款具親水性表面薄膜的液體運輸速度6秒鐘可倒流上升約3公分距離。這項研究成果可應用於設計新型定向流體運輸系統,目前相關技術合作團隊已申請專利,將建立產業化基地。

此為北京航空航天大學張德遠及陳華偉教授,聯合中國科學院化學研究所江雷院士組成團隊的研究成果,今(2016)年4月發表於《自然》(Nature)期刊,這種無功耗的微量輸運未來可在乾旱或沙漠地區不耗能的汲取地下水、建構農業遠程運輸灌溉系統、運送水、油或其他流體,有效節約動力及能源;在醫療方面可製造點滴注射非動力遞送微藥物裝置,避免易因地心引力阻塞藥液傳輸的現況,或作為手術刀表面以防止軟組織沾黏,提高手術精準度及節省手術時間:也能應用於機械自潤滑及抗磨損、微機電系統、飛行器表面防冰等各方面。

研究團隊的仿生對象是菲律賓特有的熱帶食蟲植物翼狀豬籠草(Nepenthes alata,又稱為紅豬籠草),在園藝界屬於容易栽培、且廣泛栽植的物種之一,本種捕蟲籠長度為10-15公分,籠口邊緣具有稱為「唇部」(peristome)的拱形環狀組織,從內緣至外緣的寬度約1-2公分,看似光滑的唇部表面其實有多級棱槽結構,每個寬度約461.72±49.93μm的微棱槽通道,內含約10個寬度50.18±6.18μm的縱向二級細棱小通道,由整齊排列間距約100μm的弧形微腔組成。微腔向上傾斜,弧形的尖端指向外部,具有傾斜梯度的楔形角穿過唇部垂直部分,顯示微腔端部閉合,閉合處輕微傾斜、且邊緣尖銳,各相鄰微腔間部分重疊,液體就儲存其中。這種分層結構(multiscale structure)能確保液體從捕蟲籠蒸發後會凝結在唇部內緣,繼而被連續定向搬運分散至整個唇部表面,使唇部保持濕滑。當昆蟲站在由雨水、露水或蜜汁等潤濕的唇部表面時,就很容易滑倒落入籠內,被豬籠草分解吸收。

他們深入探討豬籠草唇部的微觀結構特徵和液體移動機制,發現聚集於唇部內緣的微水滴在幾秒鐘內即可運輸到外緣,但外緣的微水滴卻不能向內緣移動。測試含藍色墨水的水分擴散過程得知,水會固定在微腔內側端的尖銳邊緣,形成水針(water pinning),造成負壓鎖住液體,並防止水從唇部外緣向內緣運送。因此水會先沿著微腔的楔形角擴散,利用毛細現象(即液體在細管狀物體內側,因內聚力與附著力的差異,會克服地心引力而上升)使水面不斷升高,然後把空氣排除、並充滿微腔,最後留在微腔前方。而且一個微腔還沒有完全填滿水時,就會開始填充重疊的相鄰微腔,透過不斷重覆灌滿有梯度差的微腔,將水一級一級往上搬運,就能完全不耗費能量,從內緣運輸到外緣,完成水的連續定向運輸。若楔形角的角度越小,單向搬運的速度就越快。

研究團隊根據豬籠草捕蟲籠唇部表面的微結構和液體運輸機制,進行數學分析和建立理論模型,採用複製模製法,以聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,簡稱PDMS)成功製造出仿生人造豬籠草唇部表面薄膜。測試發現僅親水性的PDMS表面才能實現液體定向運輸功能,且微水滴在親水性表面的接觸角臨界值要小於65°(以往認為疏水性和親水性間的臨界值為90°)。當這款人造薄膜表面的親水性越高,水的傳輸速度越快,最快速度可達每秒78±12公釐,且性能越持久,呈現無須動力就能定向連續運輸水分由低處往高處流的現象。藉由本研究理論計算模型,以及相關科技和材料科學的進步,未來還可因應不同需求調整仿生人造薄膜表面的材質和結構,擴大應用層面。

(以上新聞編譯自2016年4月7日發行之Nature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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