『臺博新知』：仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃

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

玻璃具有透明、堅固、抗化學腐蝕、耐用等優點，但脆裂易碎，加拿大麥基爾大學（McGill University）巴德拉特（Francois Barthelat）副教授領導的研究團隊，模仿紅鮑（Haliotis rufescens）貝殼珍珠質微結構，研發新型耐熱結構玻璃，由93%硼矽酸鹽玻璃（Borosilicate Glass）和7%聚氨酯（polyurethane，簡稱PU）組成，遭受強力衝擊時只會略微彎曲、卻不碎裂，較100%硼矽酸鹽玻璃的韌性增加達700倍、抵抗衝擊能量大2-4倍，可拉伸延長約5%（硼矽酸鹽玻璃僅0.1%）。未來除可取代既有耐熱玻璃外，還能應用於交通工具或建築物窗戶、防彈玻璃、安全鏡片、電子或電器設備的透明結構和觸控螢幕、天文望遠鏡、太空梭隔熱瓦等。相關論文於2016年2月在《Extreme Mechanics Letters》期刊發表。

仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃遭受強力衝擊時不會碎裂，可用於窗戶、安全鏡片、觸控螢幕等（繪製者：王美乃）。

純玻璃又稱石英玻璃（fused silica），成分為100%二氧化矽（SiO2），以高溫熔融矽砂後冷卻成形，膨脹係數5.8×10-7，莫氏硬度7；再添加13%氧化硼（B2O3）就能製成俗稱耐熱玻璃的硼矽酸鹽玻璃，又名硬玻璃，具有低膨脹率、耐高溫、高強度、高硬度、高透光率和高化學穩定性，膨脹係數32×10-7，可耐200度溫差的急熱和急冷，常用於製造試管、燒杯等理化實驗器材設備，烹飪的鍋具、餐具、玻璃保鮮盒、奶瓶、耐熱茶壺和茶杯等廚房用品、燈罩、與電器設備的耐熱玻璃零件如微波爐專用玻璃轉盤、微波爐燈罩、滾筒洗衣機觀察窗等，派勒克斯玻璃（Pyrex glass）即為一例，但遭到外力撞擊時仍會產生裂紋或破損。

研究團隊因此研究紅鮑殼珍珠質的增韌機制，發現珍珠質的多層微結構會使外力造成的裂紋偏轉、並消耗能量，同時有機質產生非線性變形和微滑移，而礦物橋和文石的晶體變形偏移具有互鎖作用，符合拓撲互鎖材料（topologically interlocked materials）中，特定形狀的結構塊之間以機械鍵互鎖，構成在橫向靜態或衝擊負載時具有強度和韌性的結構材料，因而在較高強度時能大幅提高韌性。

盤鮑螺（Haliotis discus）與紅鮑同屬，分布於臺灣和中國大陸，也是被人工養殖的食用貝（圖片來源：林士傑）。

紅鮑殼的厚度約0.6-0.7公釐，其中50%位於最內層、結構最強韌的珍珠質，成分除極少量水，還有5%彈性柔弱的有機質（幾丁質與絲蛋白）提供非線性變形、裂紋偏轉，並觸發極強的增韌機制，及95%具有剛度和硬度的文石晶片（又名霰石，斜方晶系的碳酸鈣CaCO3）。文石的碳酸鈣晶體長、寬為200x100奈米（nm=10-9m），晶體界面上的有機質厚約10奈米；文石晶體聚集形成的六邊形文石晶片，直徑5-15微米（μm=10-6m），厚度0.5-1.0微米。有機質黏結文石晶片，類似水泥及磚塊交叉疊層成磚牆結構，文石晶片層表面有許多微突起的礦物橋連接層與層間，與有機質共同形成奈米級粗糙度，提供滑動的摩擦阻力，這種結構較純碳酸鈣晶體的斷裂韌性高3,000倍，強度高達130百萬帕（Mpa）。

研究團隊採由上而下的製造方式，使用長、寬、厚50.8×50.8x3.175公釐的硼矽酸鹽光學級263M玻璃板，以雷射在玻璃內雕刻出微凹陷和裂紋、並產生雕刻接口，再用6.375×3.175公釐的基塊，與雕刻接口從0到20度的不同互鎖角度進行組合，再分別測試韌性。

結果發現基塊的互鎖角度、雕刻接口的粗糙度、接口材料、和載荷速率等都會影響耐熱結構玻璃的強度與韌性，基塊的幾何形狀、尺寸、排列、及外部框架的約束程度，都會決定耐熱結構玻璃的變形和斷裂程度，若雕刻接口角度在10度以內增加時，韌性較對照組的相同材質耐熱玻璃高，彼此間卻幾乎沒有差異。但在以PU填充初級結構玻璃的試驗中，採用離子聚合物（ionomer）沙林樹脂（Surlyn 9320，美國杜邦公司生產）仿生有機質黏合基塊，結果塑性變形大幅增強能量耗散性能，產生高變形和高強度，因此增加耐熱結構玻璃的韌性；若受到橫向力或衝擊時，耐熱結構玻璃較對照組高5-6倍的偏轉，並因雕刻接口引起的互鎖作用，亦可承受較大力量。新型耐熱結構玻璃的彎曲剛度、強度、和透明度雖低於對照組，但兩者表面硬度相同，且衝擊能量吸收力和衝擊抗力分別是對照組的50倍和2-4倍，且不會像對照組般碎裂。

由於3D雷射雕刻技術僅需一束雷射脈衝就可精確聚焦至預定位置玻璃，研究團隊未來將持續測試並以電腦建模，提升耐熱結構玻璃的整體機械性能，並升級製造技術，以運用於不同形狀、或更大、更厚的材料，研發和量產更優質的耐熱結構玻璃和相關產品。

（以上新聞編譯自2016年2月20日發行之Extreme Mechanics Letters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：2017/4/13

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃

資料來源：

Mirkhalaf, M., J. Tanguay, and F. Barthelat. 2016. Carving 3D architectures within glass: exploring new strategies to transform the mechanics and performance of materials. Extreme Mechanics Letters, 7: 104-113.

延伸學習：

玻璃。2017。維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8E%BB%E7%92%83（瀏覽日期：2017/03/10）。

玻璃的種類與組成。2017。新竹市玻璃工藝博物館典藏作品知識網，http://glassmuseum.moc.gov.tw/web-tw/unit03/modepage/3-4-1.html （瀏覽日期：2017/02/24）。

孫娜、吳俊濤、江雷。2011。貝殼珍珠層及其仿生材料的研究進展。高等學校化學學報，32(10): 2231-2239。

Barthelat, F. 2010. Nacre from mollusk shells: a model for high-performance structural materials. Bioinspiration & Biomimetics, 5(3): 035001-1-8.

Mohammad, S., M. Valashani, and F. Barthelat. 2015. A laser-engraved glass duplicating the structure, mechanics and performance of natural nacre. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (2): 026005-1-11.