2008-09-24

不怕髒的仿生材料

 
雙週 四 出刊.2008.09.25
 
本 期 目 錄 簡介/舊報明細
不怕髒的仿生材料
空氣污染下的中國兒童
捷報,《科學人》六度蟬連金鼎獎!
在宅
這兩年台灣隨著日本也吹起一股宅男風∼
最Hot科學 

不怕髒的仿生材料

蓮花出色的除塵能力,激發出多項自潔及抗菌技術,應用蓮花效應製作出的商品,不管沾上什麼髒污都不怕。

撰文/佛布茲(Peter Forbes) 翻譯/甘錫安

重點提要

■荷葉表面的細小突起可使蠟質表面具有極強的排水性,又稱為超疏水性。雨滴很容易在葉面上滾動,並帶去塵土。

■研究人員已開發出人造的自潔材料,其中有些材料是運用「蓮花效應」,有些則運用與之相反的超親水性,以及觸媒化學反應。

■未來的產品可能結合兩種與水親和性有關的特性,或採用可在兩者間互相轉換的材質,藉以控制微流體元件中的液體流動。

德國波昂大學的巴斯洛特(Wilhelm Barthlott)發現並開發了「蓮花效應」,他夢想著可自動清潔的曼哈頓城市:只要少許雨水就可洗淨摩天大樓的窗戶和外牆,就像出淤泥而不染的蓮花一樣。另外,他的願景還包括了用新布料製造的帳篷和大營帳,同樣不需人類動手清洗,就可維持清潔。把目標定在未來物品極少需要清洗,甚至不需清洗的科學家,可不只他一個。在日本,科技專家正在開發自動除臭和消毒的表面,可用於浴室和醫院等場所。美國麻省理工學院的魯布納(Michael Rubner)和科恩(Robert Cohen)也在構思類似的技術,來防止浴室的鏡子起霧,以及控制微流體「單晶片檢驗室」(液體可在晶片裡的微通道流動)。目前已經有不怕番茄醬、芥末醬、紅酒和咖啡玷污的襯衫、上衣、裙子和長褲等產品出現。一場自潔表面的革命正在逐步展開。

超疏水性不沾塵埃

自潔材料的故事開始於大自然中聖潔的蓮花(學名為Nelumbo nucifera),這種多年生的水中植物非常亮麗優雅,在印度、緬甸、中國和日本等國的宗教與文化中,扮演著相當重要的角色。蓮花受到崇敬是因為它格外純潔,雖然生長在污濁的水中,但它的葉子會挺出水面,而且似乎永遠不會髒。荷葉上的水珠也顯得特別閃亮,與其他植物相比,雨水更容易洗去荷葉上的塵土。

最後這項特性引起了巴斯洛特的注意,1970年代,掃描式電子顯微鏡的潛力推了他一把。電子顯微鏡於1965年商業化,可提供奈米尺度的清晰影像,在這麼高的放大倍率下,少許灰塵就可能破壞整個畫面,因此必須清潔樣本,但巴斯洛特發現有些植物似乎永遠不需要清洗,其中的佼佼者就是蓮花。

巴斯洛特發現這種效果是源於荷葉表面的兩種特性:葉片的蠟質和分佈在表面的細小突起(大小約數微米)。根據基礎物理學,他知道蠟質可使葉片產生疏水性,在這類材質上,水滴會聚集成珠狀,把與材質接觸的面積縮到最小水滴表面與材料表面間的夾角小於30度;而在親水性材質上,水會擴散開來,盡量加大接觸面積,接觸角大於90度。

除此之外,他還發現葉片表面無數的突起可強化這個效應,使蓮花表面成為超疏水性,接觸角超過150度,水在荷葉上會形成幾近球形的水珠,接觸面積極小,水珠在葉面上很容易滾動,就像滾珠軸承一樣。水在突起上就像人躺在釘床上一樣,在突起周圍的空隙中,封在水與葉片表面間的空氣進一步提高了接觸角。1940年代,凱西和巴克斯特首先提出了凱西–巴克斯特方程式(Cassie-Baxter equation),可描述這項效應。
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空氣污染下的中國兒童

空氣污染真的會影響兒童的發育嗎?美、中流行病學家在四川找到分子生物學的證據。

撰文/費根(Dan Fagin) 翻譯/黃鈺敏

重點提要

■分子流行病學家利用分子分析的工具,尋找出導致疾病的基因與環境因素。

■有些生物學家質疑將污染與疾病連結的研究取向,因為易感性、暴露程度或早期疾病的候選分子是否能預言疾病,仍有待證實。

■研究者可能已經找到迄今為止研究環境分子流行病學最好的實驗案例:在2004年關閉了燃煤發電廠的中國城市銅梁縣。

■初步研究顯示,在2002年燃煤發電廠仍在運作時出生的兒童,比發電廠關閉一年後才出生的兒童,不僅頭圍較小,在發展測驗上的得分也較低,與污染相關的遺傳異常也比較多。

位於中國的中南部銅梁,是個擁有10萬人口的灰色城市。不久前,矗立在銅梁縣中央的發電廠就像是噴出濃煙的巨龍,但這座發電廠現在只剩下幾座高聳的廢物堆和一間生鏽的煤炭儲藏室。在我們走向儲藏室時,一隻比利時牧羊犬突然狂吠,扯動身上的鐵鍊並露出滿嘴的利牙。一張有著褐色雙眼的臉從開啟的門裡往外窺探,這隻牧羊犬的主人是個身穿污穢襯衫的女孩。當我們朝女孩走去時,女孩手裡抱著的虎斑貓跳了下來,躲在一塊厚石板下面,小女孩頂多六、七歲,跟她的父親似乎就住在這間煤炭儲藏室裡,女孩的父親則在屋裡以警戒的眼神看著我們。

帶領我們參觀發電廠的當地官員為眼前的景象感到困窘,急著催促我們到附近的辦公室,好向我們展示為900間豪華房屋(以銅梁當地的標準而言)所精心製作的模型,這些房屋預計在發電廠原址興建。但裴里拉(Frederica Perera)起了好奇心,他走向小女孩,親切地說了聲「你好」,臉上帶著微笑。小女孩回以微笑,然後和她父親一同回到屋內。

畢竟,孩子們正是裴里拉來到這裡的原因。他正在尋找空氣污染與疾病之間的關聯,尤其是那些在子宮裡就接觸了污染物的兒童。裴里拉是美國哥倫比亞大學兒童環境衛生中心的主任,是分子流行病學領域的先鋒,應用分子分析的工具來找出導致疾病的遺傳與環境因素。他與其他分子流行病學家致力於研究環境與疾病關係,大多在開發中國家進行研究。由於這些國家的污染問題無所不在,因此即使只有少數的人口接受研究,也可測定污染與健康之間的複雜關係。他們的研究結論也適用於美國、歐洲與日本等國家,這些地區環境污染物的暴露情況比較微妙,也較難在小規模的研究中測量環境污染的影響。

不論在哪裡進行研究,分子流行病學家所採用的研究取向的不同之處,在於尋找與暴露於毒性物質以及疾病有緊密關聯的生物指標。這些標記通常是附著於DNA的化學物質、基因結構改變、符合某種特定類型的污染物或疾病。現在DNA晶片與其他的篩檢科技簡化了測量標記的工作,大量使用這些工具,理論上能找到受特定污染物危害的人群,以拯救生命。

然而,這個方法仍舊引起很大的爭議,因為只有幾個與易感性、暴露程度或早期疾病有關的候選生物標記分子完全確認出來,能夠當成疾病的警訊,而且也很難排除飲食與遺傳傾向等干擾變數,這些變數的影響力不輸給暴露於污染物等因素。但更為困難的是去了解那些完全不同的風險因素如何交互作用而影響健康。
活動訊息 

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