天然奈米材料驚豔生物

天然奈米材料驚豔生物 (Natural nanomaterials amazing biology)
臺中市雙十國中自然領域教師/國立彰化師範大學科學教育研究所博士生 王淑卿

目前地球上不論何種生物，構成生物體的基本單位皆是細胞，細胞內部的構造或組成分子結構幾乎都是微米 (1 μm＝10^－6 m) 到奈米尺度 (1 nm＝10^－9 m)。地球上形形色色的生物有許多獨特的現象，都歸因於其體內天然奈米材料所產生的特性。當物質縮小到奈米尺度時會出現不同於大塊材料的嶄新物理或化學性質，主要是源於物質奈米化後產生的表面效應 (surface effect) 和尺寸效應 (size-dependent properties)。

表面效應是指粒子愈小，比表面積（表面積／體積）愈大；比表面積愈大，表面原子與外界的有效碰撞機率愈大，表面原子的束縛力比內部原子小，活性變大，反應速率增大。因此粒子愈小，表面效應將愈重要。所謂尺寸效應是指粒子的直徑逐漸減小到奈米尺度甚至接近原子大小時，巨觀世界常被忽略的微不足道的作用力，如分子間產生的凡德瓦力 (van der Waals force)，因為數量眾多累積後變成很可觀。粒子愈小，凡德瓦力就越來越重要，因尺寸效應造成奈米粒子的光、熱、磁、電、聲及化學等特性不同於巨觀物質的特性，而出現許多新奇的現象。

研究發現，蓮葉出淤泥而不染是由於葉子表皮細胞上5～15微米的角質層突起與其上堆積許多約100奈米的中空纖毛狀蠟質結晶，而呈現出水滴或灰塵等都不會附著在葉子表面的超疏水性 (superhydrophobicity，接觸角大於150度以上) 和自潔性 (self-cleaning) 現象。當水與蓮葉表面接觸時會因表面張力使得接觸角大於150度而形成水珠（圖一），葉子一傾斜，水珠就會自動滾走，同時帶走灰塵等髒污物，科學家稱之為蓮葉效應 (lotus effect)。其他植物如芋頭葉、水稻葉、美人蕉葉等；動物如魚鱗、表面鯊魚皮、水黽的步足末端等的表面，都有奈米尺度結構，表現超疏水性和自潔性，避免微生物附著或幫助行動自如。昆蟲翅膀表面也有奈米構造，達到自潔的功能，如蝴蝶的翅膀、蟬的翅膀等，因飛行時須保持翅膀平衡，不可沾有灰塵或水滴，否則會造成飛行時重量不平衡而墜落。

圖一 當水與蓮葉表面接觸時會因表面張力，使得接觸角大於150度而形成水珠。（圖片來源：https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/13/Lotus3.jpg）

產業界仿生應用添加二氧化矽奈米粒子，粒子直徑100 nm以下，形成安定性高的奈米凝膠溶液 (so-gel)，在物質表面形成二氧化矽無機薄膜，達到光滑易潔的作用。或經處理將這些二氧化矽奈米粒子聚集成直徑約5～15微米的顆粒，如同蓮葉表皮細胞的突起一般。工研院黃元昌博士團隊針對我國的髒污物含油性較多，而油性粒子對物質表面的附著力更強，更進一步研發疏油材質技術，製造出約1～2 nm的含氟分子，排列在微米奈米顆粒的表面，可使油滴在複合材料的表面後的接觸角達到150度以上，不但防水、防塵，還能防油汙。產業界仿生蓮葉效應，創新應用製造出防水和防污的馬桶、油漆、塗料、玻璃、皮革、汽車、建材和衣料等。

圖二 電子顯微鏡下的一塊蝴蝶鱗片。（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9D%B4%E8%9D%B6#/media/File:SEM_image_of_a_Peacock_wing,_slant_view_3.JPG）

科學家在電子顯微鏡下觀察蝴蝶翅膀鱗片（圖二），發現其表面有許多樹枝狀不規則的奈米結構，細枝間的距離約70～100 nm，這種特殊週期性排列，科學家稱之為奈米光子晶體 (photonic crystals) 結構。可選擇性地反射可見光，依其不同的週期性結構的排列組合可形成不同顏色或紋路，隨著不同角度觀看，其顏色光澤也隨之改變，此現象稱為彩虹效應 (iridescent effect)，又稱彩蝶效應。此種因奈米光子晶體的結構而產生的物理性顏色，不同於花朵、水果或葉子的生化性顏色，不會隨著蝴蝶死亡而失去其蝶翼的眩爛色彩。

此外自然界尚有貝殼、孔雀的羽毛、吉丁蟲或金龜子的殼、海老鼠的毛髮和蛋白石等由天然奈米光子晶體組成的天然奈米材料，而呈現光彩奪目的彩虹效應。貝殼（如圖三）屬一維光子晶體，就是所謂的薄膜，例如光學鏡片多層膜，即是一維光子晶體的應用。蝴蝶翅膀和孔雀的羽毛屬於二維光子晶體，其應用如波導元件、分光元件及干涉儀。蛋白石、吉丁蟲或金龜子的殼屬於三維光子晶體，其應用目前在技術上仍有限制。

圖三 貝殼屬一維光子晶體，就是所謂的奈米薄膜。（本文作者王淑卿攝）

參考文獻

1. Marmur, A. (2004). The Lotus Effect: Superhydrophobicity and Metastability. Langmuir, 20, 3517-3519.
2. Rao, C. N. R., Kulkarni, G. U., Thomas, J., & Edwards, P. (2002). Size-Dependent Chemistry: Properties of Nanocrystals. Chemistry – A European Journal, 8(1), 28–35.