『臺博新知』：仿生槐葉蘋化身高效石油清道夫

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

石油勘探、運輸、儲存、加工和使用都有溢油風險，尤其海上運輸漏油事件常造成嚴重的環境污染和生態浩劫。2016年8月，德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）霍爾舍（Hendrik Hölscher）副教授和波昂大學（University of Bonn）巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）教授共同在《生物靈感與仿生學》（Bioinspiration & Biomimetics）期刊發表仿生槐葉蘋屬（Salvinia spp.）葉片微結構能改良奈米纖維毛「Nanofur」，具有超級疏水性和高吸油性，可只吸石油不吸水，不但能應用於處理與清潔溢油，吸油後還能回收溢油再利用，是經濟、環保、高效的人工除油和吸油劑，取代現有清除溢油材料，解決海上漏油的污染問題，未來還能利用空氣阻隔特性發展新的絕熱介面，或應用於需在水中儲存空氣的結構，例如製造低摩擦阻力的船殼塗料等。

仿生槐葉蘋的奈米纖維毛「Nanofur」能高效清除海上漏油（繪製者：王美乃）。

石油或燃油漏到海洋變成溢油時，會在海面形成油膜，降低光的通透性及產氧量，使海洋生物窒息死亡；若隨風浪吹向岸邊，經過的海洋生物、蝦蟹、浮游或附著生物等都可能沾染黏附而立即死亡，部分暫時存活者的體表皮毛可能喪失保暖和呼吸功能，或因沾黏無法游泳與覓食而難以存活。例如2010年4月美國墨西哥灣鑽油平臺爆炸、和7月中國大連新港油罐區爆炸兩起事件，共洩漏320萬桶石油污染海域，還有2016年3月德翔貨輪在臺灣石門外海擱淺斷裂的嚴重漏油，都造成巨大經濟損失和生態破壞。

溢油污染後，通常先對可能或已造成的生態損害進行預防和處理，著重海洋生物的搶救保育與生態環境的清理復原；同時控制和回收溢油減輕污染，主要分成物理、化學、和生物等三類處理法，或用助燃劑燒光漏油。但除耗費人力外，吸油材料會吸收海水而影響處理效率、殘留的油膜層和化學藥劑造成二次污染、燃燒法無法回收石油、還會產生有毒物質，造成的副作用甚至大於直接經濟損失。因此研究團隊選擇六種水生植物研發仿生吸油材料，觀察葉片表面微結構和測試吸油能力，包括水龍骨目（Polypodiales）槐葉蘋科（Salviniaceae）的人厭槐葉蘋（Salvinia molesta）、小槐葉蘋（S. minuma）、僧帽葉槐葉蘋（S. cucullata）、長圓葉槐葉蘋（S. oblongifolia）、天南星目（Arales）天南星科（Araceae）的大萍（Pistia stratiotes）和睡蓮目（Nymphaeales）蓮科（Nelumbonaceae）的蓮花（Nelumbo nucifera）。

人厭槐葉蘋（Salvinia molesta）浮葉表面密佈的毛狀體微結構形似打蛋器，具有超疏水性和高效吸油能力（圖片來源：歐陽盛芝）。

槐葉蘋是漂浮性水生蕨類，葉片分為水面的綠色卵狀浮葉、和近似根可協助平衡植株的棕色變態葉，浮葉表面密佈由頂部長著細毛，由圓錐狀小突起組成的毛狀體（trichomes），由於能填滿空氣，構成浮葉的超疏水性（superhydrophobic）；細毛末端能抓住水分、並將內部空氣膜封住，為親水性（hydrophilic）微結構，可有效保留空氣層，減少葉片表面與水的接觸面積、剪應力及摩擦阻力，達到降低表面自由能（surface free energy）的效果，特稱為「槐葉蘋效應」（Salvinia effect）。此外，蓮花葉具有奈米級蠟晶體，覆蓋由乳突形成的微晶，是兩級分層表面結構；槐葉蘋和大萍葉則具有更複雜的三級分層表面架構，毛狀體或毛高約數百微米，含有用奈米級蠟晶體疊加的微小凸起細胞，可確保其浮力和存活，表面覆蓋的疏水性蠟還能避免水分過度蒸發、微生物和機械損傷、或水的降解作用（degradation）。

科學家測量四種槐葉蘋浮葉表面，人厭槐葉蘋的葉面積256mm2（=10-6m2，平方毫米），毛狀體結構是圓錐狀小突起，上接末端連結的四根細毛，形似打蛋器，高2,629µm（=10-6m，微米）；小槐葉蘋的葉面積23mm2，具有類似形狀的毛狀體，但四根細毛的末端散開，高919µm；僧帽葉槐葉蘋的葉面積156mm2，毛狀體是略彎的單一細長錐狀，高558µm；長圓葉槐葉蘋的葉面積543mm2，有圓錐狀小突起，上接末端連結的兩根細毛，朝相同方向彎曲，高310µm。

測試這四種植物每平方公分葉片吸附能力的公克量依序為650.0、319.3、313.5、441.1 gm-2，證實人厭槐葉蘋的吸油效果最好，其葉片放入油水混合物中數秒內即可吸油，30秒內可達最大吸附量，油可持續保留至數天後葉片代謝分解；而針對人造原油Grüssing Roherdölersatz PAE15805、液壓油Total Azolla ZS 10、和兩種原油MiRO OK 679及MiRO EK 651試驗也得知，當油密度和黏度愈高，人厭槐葉蘋的吸油能力愈大。並確定人厭槐葉蘋和大萍的吸油能力，均高於奈米纖維毛及市售兩種吸油劑OI-EX Allwetter Typ Ⅲ R及Deurex Pure。

槐葉蘋的毛狀體的高度、體積、獨特結構、和細毛剛性都會影響油的吸附力，尤其細毛末端形狀能決定油和空氣的接觸面積，細毛間的空間可用於存油，長毛吸油能力又比短毛高，具有適度彈性或剛性的細毛有適當彎曲度（末端連接且向下彎曲），能確保油和空氣界面被支撐，擁有較高的吸油能力、並能長期保留。若細毛彈性太高，反而發生極端變形彎曲；或末端未連接的單根毛狀體是無彈性細毛，無法支持油和空氣界面，均導致吸油能力降低。

研究團隊因此建立Nanofur原型的改善基準，先將鋼板噴砂產生微奈米尺寸的小坑洞，然後加熱粗糙噴砂鋼板，壓製到聚碳酸酯薄膜中熔化表面，當鋼板回縮時，從表面拉出仿生毛狀體結構細毛，仿製長且彎曲的連結末端，經測試Nanofur改良版具有類似槐葉蘋葉片的複雜三級分層表面結構，雖然尚未能完全仿製人厭槐葉蘋打蛋器形狀的毛狀體，但已可支撐油和水界面，細毛間空間能完全填充吸收的油，實現高效吸油容量且能油水分離，可用於環境清潔並化身高效石油清道夫，解決海上漏油的污染問題。

（以上新聞編譯自2016年8月16日發行之Bioinspiration & Biomimetics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

日期：2017/2/2

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生槐葉蘋化身高效石油清道夫

資料來源：

Zeiger, C., I. C Rodrigues da Silva, M. Mail, M. N. Kavalenka, W. Barthlott, and H. Hölscher. 2016. Microstructures of superhydrophobic plant leaves-inspiration for efficient oil spill cleanup materials. Bioinspiration & Biomimetics, 11 (5): 056003-1-9.

延伸學習：

施政伯。2014。槐葉蘋葉面上的空氣膜。週日閱讀科學大師，2014年3月20日（http://science.nchc.org.tw/blog/?p=690）。

鄒敏惠、詹嘉紋。2016-03-28. 【海污事件簿】海上漏油怎麼一回事？互動地圖帶你看。環境資訊中心（TEIA, Taiwan Environmental Information Center），2016年3月28日（http://e-info.org.tw/node/113801）。

Helms, F. 2016. Nanofur separates oil from water. KIT (Karlsruhe Institute of Technology) / Technology Offers, https://www.kit-technology.de/en/technology-proposals/details/537/ (Visit date: 2017/01/11).

Salvinia effect. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Salvinia_effect (Visit date: 2017/01/10).

Schinarakis, K. 2016. Nanofur for oil cleanup. KIT (Karlsruhe Institute of Technology), No. 115, August 18, 2016 (http://www.kit.edu/kit/english/pi_2016_115_nanofur-for-

oil-spillcleanup.php).

Varghese, P. 2016. Hydrophobic plant leaves to clear up oil spills. Innotrendz / Science, October 20, 2016 (http://innotrendz.com/science/hydrophobic-plant-leaves-to-clear-

Clear-up-oil-spills/).