2017年5月29日 星期一

『臺博新知』:新醫療黏膠仿生斑紋角石蛾

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

日本東京農業大學(Tokyo University of Agriculture)長島孝行(Takayuki Nagashima)教授與波多野友博(Tomohiro Hatano)共同研究斑紋角石蛾(Stenopsyche marmorata)幼蟲的絹絲腺(silk gland)構造、吐絲過程、蟲絲成分和超微結構等,他們打破以往相關研究僅專注於水棲生物黏膠的化學成分和構造,還發現其分泌的絲液含有奈米柱結構,有助於蟲絲的水中黏附,即除化學性黏附機制外,同時具有物理性的奈米柱黏附機制,研究成果於2015年3月在《科學報告》(Scientific Reports)期刊發表。

未來參考本種蟲絲成分中各蛋白質的功能和黏著機制,可利用生物合成重組DNA技術和機制,將相關的DNA序列添加到已有生物的基因組中,合成出所需蛋白質,並使用合成聚合物進行仿生,將可研發新一代具生物相容性與防水的仿生醫療用生物黏膠、藥膏、手術縫線、繃帶等,用於皮膚、血管、臟器、骨頭或牙齒等局部傷口黏合和修補微創,取代傳統手術縫合,縮短癒合時間、減少術後體內組織積水、或術後感染的風險,更能節省醫療成本;或開發新型纖維製造智能織品和服裝。

仿生斑紋角石蛾醫療黏膠可黏合傷口、修補微創、和取代縫線(繪製者:王美乃)。
俗稱石蠶蛾的斑紋角石蛾常在溪邊活動,屬於毛翅目(Trichoptera)角石蛾科(Stenopsychidae),成蛾體長約2.4-2.7公分。雌蛾將卵產於水中、附著於石塊或水生植物根部,孵化的幼蟲就棲息水中,以氣管鰓呼吸,無腹足僅腹端有一對具鈎的臀足,體內有發達的絲腺,一齡幼蟲即開始以濾食方式在流動水域中吐絲織成捕獲網收集有機物或藻類為食。蟲絲具有很大黏性,能夠承受激流強力衝擊也不會散開,並可長期黏附於水中包括葉子、細枝、石頭、玻璃碎片、塑膠珠、鐵氟龍(PTFE)等各種柔軟、堅硬、有機、無機材質,但本種不會像其他種類般吐絲將溪流中的石塊、細砂、枯枝等黏結成巢(case)。

斑紋角石蛾(Stenopsyche marmorata)的幼蟲會吐絲結網(圖片來源:歐陽盛芝)。
研究小組以穿透式電子顯微鏡觀察得知,斑紋角石蛾幼蟲下唇唾液腺已特化為可分泌蟲絲的絹絲腺,依蟲絲分泌類型和組織特徵可分為後段絲腺(PSG)、中段絲腺(MSG)、球狀區(bulbous region)、和前段絲腺(ASG)四部分。若依蟲絲功能可分為絲纖維區和黏附區,絲纖維區有兩層結構,一層是位於纖維中心的芯層,另一層斑紋角石蛾絲心蛋白(Sm fibroin)層是絲的主要成分;黏附區由三層組成,包括最外層(OM層)、B層、和C層。

後段絲腺主要分泌芯層化合物電子緻密分泌球(electron-dense secretory globules),在朝吐絲器運輸過程時位於絲液中心,接著在硬化的絲中形成柱狀芯層;中段絲腺主要分泌斑紋角石蛾絲心蛋白,腔內的絲液可分為芯層、斑紋角石蛾絲心蛋白層、及外層三層結構,外層可再細分為含大量直徑約25奈米(nm=10-9m)電子緻密球的A層、包括許多存在電子緻密基材之低電子密度橢圓物質的B層、及無內部結構的C層等三層。

球狀區分泌很多約100奈米長的微纖維(microfibrils)組成OM層,包覆著OM層的B層密佈大量規律間距排列的奈米柱結構,每根奈米柱直徑約40奈米,高度125奈米,前驅物材料是位於中段絲腺腔內A層的電子緻密球,當絲液被運送到球狀區腔內時,電子緻密球在B層彼此自動互相連接,形成奈米柱結構,接著塗覆OM層化合物的絲液往前運送到前段絲腺,內膜具有微絨毛狀結構,上皮細胞有很多內含電子緻密球的囊泡,腔內有無數奈米柱分布在包覆著OM層的B層,也存在電子緻密球。

前段絲腺則往前銜接前導管、共同導管、和吐絲器(spinneret orifice),前端腔內絲液脫水,藉絲腺以核苷三磷酸水解酶(V-ATPase)調節酸鹼值的酸鹼中和反應,使蟲絲不會溶解,纖維化往前送到吐絲器,吐出一對寬6-8微米(μm=10-6m)、具橢圓形橫切面絲纖維組成的硬化蟲絲,可分為圓柱形的芯層、微纖維組成的斑紋角石蛾絲心蛋白層、含微小球形物質的外層、和在蟲絲表面黏合一對絲纖維的OM層。

水中黏附機制則可分為物理和化學作用。物理性的黏附機制係指當幼蟲在水中吐絲製作捕獲網濾食時,OM層通常會被水流沖刷,使黏附區的奈米柱結構曝露表面,奈米柱就像刷毛會陷入葉片等基質的粗糙表面,彼此間形成緊密無間隙的單層黏著構造,能增加黏著面的接觸面積,增強蟲絲與基質間的黏附,因此浸泡水中的奈米柱可增加捕獲網的接觸面積,提高食物的收集效率;而蟲絲的芯層具低彈性、和比組成斑紋角石蛾絲心蛋白微細纖維高的剛性,加上具機械強度的絲纖維,故得以承受快速水流的力,維持捕獲網。

化學性的黏附機制則可分為三種,第一種由斑紋角石蛾絲心蛋白B、C、OM層與奈米柱結構混合物組成緊密的黏著層,含有與過氧化酶(peroxidase)交聯的二酪胺酸(dityrosine),可加強黏著區中各層間的連接,維持蟲絲的黏附;第二種在球狀區分泌的黏附化合物含有帶負電荷的磷酸化絲胺酸(phosphorylated serine,簡稱pSer),有助於蟲絲和基質間的化學鍵結黏合;第三種是中段絲腺的A、B、或C層含有大量半胱胺酸(cysteine)和帶電荷殘基的Smsp-72k蛋白質,除與斑紋角石蛾絲心蛋白分子間交聯外,也做為水中黏附蛋白,因而增加黏附力。

人體含70%水分,體內非常濕潤,適用於乾燥條件的黏膠用於體內高濕環境常降低性能,甚至無法黏合,因此這項研究可實質促進水中黏附的醫療用黏著劑研發應用。

(以上新聞編譯自2015年3月18日發行之Scientific Reports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:2017/5/25

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:新醫療黏膠仿生斑紋角石蛾

資料來源:

Hatano, T. and T. Nagashima. 2015. The secretion process of liquid silk with nanopillar structures from Stenopsyche marmorata (Trichoptera: Stenopsychidae). Scientific Reports, 5: 9237-1-8.

延伸學習:

Heimbuch, J. 2016. Caddisfly’s stretchy, waterproof ‘tape’ could be our next medical material. Mother Nature Network (MNN), August 10, 2016.

Yang, Y. J., D. Jung, B. Yang, B. H. Hwang, and H. J. Cha. 2014. Aquatic proteins with repetitive motifs provide insights to bioengineering of novel biomaterials. Biotechnology Journal, 9(12): 1493-1502.





2017年5月22日 星期一

『臺博新知』:仿生槐葉蘋的冠狀頭合成毛可從空氣集水

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

義大利科學家領導的跨國研究團隊模仿漂浮性水生蕨類人厭槐葉蘋(Salvinia molesta)葉片表面微結構毛狀體,製造出具有空氣集水能力的仿生冠狀頭合成毛,能將空氣中的濕氣局部凝結成水滴,應用於汲取空氣中蘊含卻未被利用的豐沛水資源。此種使用雷射直寫微影製程(direct laser lithography)的新材料,具有尺寸縮小約100倍的3D微構形表面,微尺度的合成毛可達亞微米解析度(submicrometric resolution),當浸入水中時,合成毛的微構形表面可類似天然葉片微結構般顯示保留空氣和疏水性特性。研究成果於2015年11月發表在《ACS應用材料與介面》(ACS Applied Materials & Interfaces)期刊。

仿生冠狀頭合成毛具空氣捕獲、疏水性、和將濕氣凝結成水特性,可應用於空氣集水(繪製者:王美乃)。
人厭槐葉蘋(Salvinia_molesta)浮葉表面密佈冠狀頭毛狀體微結構,具高疏水性和凝結水滴能力(圖片來源:林士傑)。
人厭槐葉蘋屬於水龍骨目(Polypodiales)槐葉蘋科(Salviniaceae),葉片可分為綠色卵狀浮葉和棕色變態葉,浮葉表面密佈具冠狀頭(或稱打蛋器)的毛狀體,結構細分為高1.5公釐(mm=10-3m)圓錐狀小突起(莖),在頂部分成四根略彎細毛,末端融合形成高約500微米(µm=10-6m)的冠狀結構。除頂點外,覆蓋具低表面能的蠟晶,提供微奈米尺度的高粗糙性和高疏水性;具親水性的光滑頂點則由一小群死細胞組成,是確保水滴的錨定點。當浸沒水中時,毛狀體末端細毛能抓住水分,封住內部空氣膜、保留空氣層,仍能進行蒸發和絕緣作用,因此在洪水淹沒期間亦可存活。空氣膜的長期穩定性是由疏水性、微尺度或毫米級尺度的毛、額外的微細結構(例如脊起、毛、或蠟)、微米或奈米腔、和彈性結構等五個表面特徵造成。

義大利技術研究院(Istituto Italiano di Tecnologia)神經科學暨腦科技部門組長馬托里(Virgilio Mattoli)博士領導的跨國研究團隊,以3D雷射直寫微影製程製造仿生冠狀頭合成毛,將又名感光抗膜或光阻劑的光刻膠(IP-DiLL photoresist,即環氧樹脂基抗蝕劑)刻在玻璃上,每根合成毛的莖高7微米、直徑1.5微米,頭部厚1微米、直徑6微米,由三個圓圈彼此旋轉60度、相互交叉構成,具良好機械性能,微小尺寸和高長寬比的冠狀頭合成毛浸泡水中時,在玻璃上的位置固定、結構穩定,不會倒塌崩解。

研究團隊先以2D六邊形格狀結構排列製作合成毛樣本,每根毛的莖間距離9微米,不同毛的冠狀頭細毛間最小距離約3微米,使用共軛焦顯微鏡檢測各種不同組合(例如莖高7、10、13微米,頭部圓圈3-6個等)時,冠狀頭內和莖間的水或空氣效果,發現玻璃基底和合成毛冠狀頭間存在穩定的空氣層,證明新材料能複製人厭槐葉蘋葉片毛狀體的捕獲空氣功能,且合成毛冠狀頭的尺寸、厚度、和圓圈數會決定固液態和固氣態介面的數量,影響捕獲空氣的能力。

他們再採用電阻較低的矽取代玻璃為基板,以矽晶圓為材料修改設計優化仿生合成毛,每根毛的莖高維持7微米,但頭部改由四個圓圈相互交叉構成厚650奈米(nm=10-9m)、直徑4微米,莖間距離5微米,冠狀頭細毛間最小距離約2微米,測試含20x20根合成毛的正方形樣本,結果可捕捉空氣且冠狀頭部開始凝結成液態微水滴,並環繞著莖間增長,充滿整個空間並達基底,最後形成平坦的液滴,證明此種結構真正具有從空氣集水的特性。

在相同基底材料上透過調節幾何形狀、尺寸、和莖間距離三種屬性,可製造不同功效的3D微構形表面,產生新型的功能結構化表面,即使採用親水性材料製作仿生合成毛,甚至以玻璃或矽晶圓等不同基底材料製造這種微尺度結構,只要遵循相同步驟,實際上亦無任何限制,依然能展現明顯的空氣捕獲、疏水性、和促進環境濕氣局部凝結成液態水等特性。研究團隊未來將持續改善優化這種微構形表面的濕潤度、保濕性、和凝結率,應用於例如從含水空氣中收集水分引導流入水庫系統的集水產品,解決乾旱地區缺水問題,或開發工業熱交換器用之相變化導熱材料等。

(以上新聞編譯自2015年11月11日發行之ACS Applied Materials & Interfaces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:2017/5/18

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿生槐葉蘋的冠狀頭合成毛可從空氣集水

資料來源:
Tricinci, O., T. Terencio, B. Mazzolai, N. M. Pugno, F. Greco, and V. Mattoli. 2015. 3D Micropatterned surface inspired by Salvinia molesta via direct laser lithography. ACS Applied Materials & Interfaces, 7(46): 25560-25567 (+ 12 pp. Supporting Information).

延伸學習:
賴婉婷、歐陽盛菊、歐陽盛芝。2017。可從空氣中高效集水的新仿生表面。科技部/科技大觀園,2017/01/06。




2017年5月15日 星期一

『臺博新知』:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅



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

    德國研究團隊仿生寬紋黑脈綃蝶(Greta oto)透明翅膀表面奈米柱構造的不反光特性,研發出具有合成錐狀奈米柱結構的全向抗反射(omnidirectional anti-reflection)表面塗層,可解決因光線反射、在明亮的環境中很難辨視和閱讀光電裝置的問題,成果已由卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology,簡稱KIT)霍爾舍(Hendrik Hölscher)教授在20154月發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊。
仿生透明蝶翅表面奈米結構的全向抗反射表面塗層,可應用於光學、光電、和電光裝置等(繪製者:王美乃)。

寬紋黑脈綃蝶又名玻璃翼蝶,因膜質翅膀幾近全部透明無鱗片和色彩,看似玻璃而得名,是最有名的透翅蝶(Glasswing butterfly),這種具有透明度的偽裝能有效防禦捕食者,對光線具有低吸收、低反射、和低散射性質,雙翅的翅脈和翅緣為不透明的紅、棕、或深褐色,前翅上緣有一道白色斑紋,屬於鱗翅目(Lepidoptera)蛺蝶科(Nymphalidae)綃蝶族(Ithomiini),主要分布於中、南美洲的雨林。
 
寬紋黑脈綃蝶(Greta_oto)透明翅膀表面微結構具有不反光特性(圖片來源:歐陽盛芝)。

研究團隊以掃描式電子顯微鏡觀察,寬紋黑脈綃蝶翅膀的棕色和白色區域具有其他種蝴蝶常見之橢圓形鱗片,長、寬為200 × 50微米(μm=10-6m),鱗片表面具許多平行的細微縱向凸脊,棕色區域的脊間有薄膜、但白色區域沒有;透明區域的鱗片則特化成厚約2微米、高約40微米的毛狀鱗片(piliform scale),稱為微纖毛(microhairs)或剛毛(bristles),各微纖毛間的距離為40-50微米。以膠帶移除微纖毛和未移除對照組的光學效應測試,微纖毛不會影響透明度。透明部分密佈具高長寬比、隨機高度、和隨機排列的奈米柱,半徑為40-60奈米(nm=10-9m),具有高160-200奈米的錐形基座,高度大多400-600奈米(比約80,000-100,000奈米粗的人類頭髮約小200倍),長寬比約為5,但有些可達為10以上,平均高度為500±100奈米,各奈米柱間的距離為120±20奈米,翅膀背、腹兩面的奈米結構沒有差異,具有相同的反射特性。




為分析透明翅膀的鏡面反射和漫反射功能,他們使用角度分辨光譜儀測試,得知寬紋黑脈綃蝶翅膀透明部分在可見光區域有2%的低鏡面反射率(空氣/翅膀介面比率),在紫外線到近紅外線區域僅有3%的低反射率。入射光角度實驗也得知,8度至65度的反射率皆低於2.2%80度時僅5%90度時甚至只有0.2%的反射率,這種在不同視角下的低反射性是由隨機高度和排列的奈米柱結構所造成,顯示透明區域具有全向和寬帶抗反射性能;透明部分還具有高達84%的穿透性,當散射角在5度以內時,穿透率才會從84%下降到近乎0,證明蝶翅具低散射性與全向高透明度。

研究團隊仿生寬紋黑脈綃蝶翅膀透明部分的錐狀奈米柱結構,透過優化錐狀基座的形狀、寬度、和高度,為寬帶波長及寬範圍的視角設計幾乎完美的抗反射表面,使用蝕刻沈積技術(etching techniques)製造出平均厚度(高度)500奈米的仿生透明蝶翅全向抗反射表面塗層,比傳統厚度至少1微米的多層寬帶抗反射塗層更薄,並具有疏水性。

新型塗層除可開發為具有偽裝、隱形效果的「零反射面」產品應用於軍事領域外,還可降低視角的眩光與避免水濺損傷,應用於製造鏡片、鏡頭、電視、手機、或電腦螢幕等不反光玻璃。若運用於太陽能領域,可增加光吸收率,解決現有太陽能面板因矽材質會反射高達33%入射光線,因而降低太陽能轉換效率的問題,提升發電效率。若運用於發光二極體(LED)還能提高有效光的提取率,也能提升反射鏡、透鏡、光電感應器、表面發射激光器、顯示器、光學感應或成像等光學、光電、和電光裝置的性能。

(以上新聞編譯自2015年4月22日發行之Nature Communications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:2017/5/11

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅

資料來源:

Siddique, R. H., G. Gomard, and H. Hölscher. 2015. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly. Nature Communications, 6: 6909-1-11 (+ 5 pp. Supplementary Information).

延伸學習:

寬紋黑脈綃蝶。2017。百度百科。http://baike.baidu.com/item/%E5%AE%BD%E7%BA%
B9%E9%BB%91%E8%84%89%E7%BB%A1%E8%9D%B6(瀏覽日期:2017/03/22)。

Eelpuch, A. 2015. Butterfly wing studies helping to reduce glare from your mobile screen. L’Atelier: Accelerating Innovation, May 21, 2015.



2017年5月8日 星期一

『臺博新知』:新型魚鱗甲仿生草魚魚鱗

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

中國、美國與日本的跨國團隊經由研究草魚(Ctenopharyngodon idella)魚鱗多級結構和力學性能,研發出超輕、高韌性、和柔性的仿生合成複合魚鱗,依此可設計兼具靈活性與防護功能的仿生多級結構防護裝備,例如魚鱗甲防彈衣、防彈插板、軍隊制服、護甲、頭盔,或是車輛、太空船保護層、運動護具等,研究成果於2016年3月在《材料與設計》(Materials and Design)期刊發表。

仿生草魚魚鱗結構的合成複合魚鱗可製作魚鱗甲防彈衣、車輛或太空船保護層、和運動護具等(繪製者:王美乃)。
本種魚鱗是真皮演變的骨質鱗(bony scale),終生不更換、且可隨魚長大,由堅硬的骨質外層(成分為羥磷灰石,Ca5(PO4)3(OH))和柔軟的膠原纖維(collagen fibrils)內層(纖維片層依交錯角28-31度的固定偏轉角螺旋或正交排列交錯疊加)組成,骨質外層與膠原內層厚度比從魚鱗中心到邊緣逐漸變化,中心的厚度比約1:1,最大厚度0.40-0.45公釐。單片草魚魚鱗為半透明不規則六邊形,長、寬大致為25-30 ×23-32公釐,表面具有年輪般寬窄不一的同心圓環紋,形成光滑的明顯網線,前端斜插入真皮,遊離的後端圓滑,稱為圓鱗(cycloid scale),以覆瓦排列方式疊置於表皮,彼此間的相互覆蓋率約0.667,這種結構在被外力攻擊時能分散撞擊力量,有效擴散單片魚鱗壓力,減少損傷。

草魚(Ctenopharyngodon idella)魚鱗屬於圓鱗,具有很強的抗穿透力(圖片來源:歐陽盛芝、林士傑)。

中國湖南大學朱德舉(Deju Zhua)教授領導的研究團隊,包括美國亞利桑那州立大學(Arizona State University)及日本東京工業大學(Tokyo Institute of Technology)研究成員,他們測知草魚魚鱗與膠原內層的力學性能各為平面內各向異性和各向同性,脫水魚鱗(厚度0.22-0.29公釐)的彈性模量和拉伸強度分別為飽水魚鱗(厚度0.40-0.45公釐,含膠原內層厚度約0.10公釐)的10倍和3倍,但極限應變卻減少約50%,且飽水魚鱗和膠原內層的力學性能與應變率有很大相關性,穿透試驗結果顯示草魚魚鱗具有比聚苯乙烯、聚碳酸酯等人工合成聚合物更強的抗穿透力,單片魚鱗甚至能在骨質外層上形成十字形裂紋侷限破壞力量。

因此研究團隊採用輕量、高強度、和高彈性模量的高效防彈陶瓷碳化矽(SiC)模仿骨質外層,以較軟、易延展的輕質鋁合金(Al 6061-T6,密度為每立方公尺2,700公斤)當膠原內層,參考龍鱗甲(Dragon Skin armor)防彈衣(尖峰裝甲公司Pinncle Armor Company產品)內單片陶瓷圓形防彈瓦尺寸,製成每片半徑25公釐的圓形魚鱗,模仿草魚魚鱗結構和排列模式,每片魚鱗與模擬真皮層(鱗囊)的0.28公釐厚之凱芙拉(Kevlar®-49)織物共享一個節點連結固定,製成表層長、寬5x5合計25片魚鱗的整塊合成複合魚鱗。

考量影響仿生合成複合魚鱗的防彈性能包括魚鱗的陶瓷材料和厚度比、重疊率和角度、凱芙拉織物的疊層數、和子彈初始衝擊速度等四個因素,研究團隊將仿生魚鱗以不同組合的陶瓷材料、厚度比、重疊率、重疊角度、織物疊層數等製成整塊試樣進行測試。以LS-DYNA®軟體做穿透測試的數值模擬,並分析仿生魚鱗的殘餘速度(residual velocity)和穿透深度(depth of penetration,簡稱DOP)。

首先試驗碳化矽、碳化硼(B4C)、鋁鎳合金(AlNi)、和氧化鋁(Al2O3)四種輕質高硬度陶瓷材料的仿生魚鱗,結果顯示碳化矽的能量吸收率最高,因此碳化矽/鋁為最佳材質組合。碳化矽層越厚、抗穿透性越佳、但越重,鋁層太厚則降低仿生魚鱗的硬度和強度。當魚鱗厚度固定6公釐時最優,碳化矽/鋁的最佳厚度比為3:2,子彈穿透深度隨魚鱗厚度增加而降低;當厚度不變、碳化矽增多使魚鱗硬度和厚度比增大時,子彈殘餘速度和穿透深度隨之減少,殘餘速度也會隨厚度增加而減低。若魚鱗重疊越多、重疊角度越大,仿生魚鱗的變形越小,最佳重疊率為0.4,當重疊角85度,鋁層被子彈撞擊時僅呈現塑性變形、無穿刺破壞,且能量吸收效率隨重疊率增加而增大,魚鱗的變形會隨凱芙拉織物疊層數和魚鱗重疊率增加而減少;若以純碳化矽合成魚鱗為對照組,當子彈衝擊速度為每秒878公尺時,仿生魚鱗面積密度降低12.5%(即輕量化),仍具備相同防彈性能。

仿生合成複合魚鱗被子彈撞擊時,傾斜重疊的魚鱗使子彈滑動和偏轉導致動能減少,碳化矽外層先以脆性破裂吸收大部分子彈動能,殘餘穿透力和能量則由落點和鄰接魚鱗吸收而降低影響;若子彈穿透進入鋁內層時,會經塑性變形吸收殘餘能量並彈回,凱芙拉織物會保持魚鱗的移動性並重新分配衝擊能量,共同構成極佳的防彈機制。研究團隊根據試驗數據建立電腦模擬模型,未來可依需求開發不同的防護裝備量產運用。

(以上新聞編譯自2016年3月11日發行之Materials and Design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:2017/5/4

本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:新型魚鱗甲仿生草魚魚鱗

資料來源:

Liu, P., D. Zhu, Y. Yao, J. Wang, and T. Q. Bui. 2016. Numerical simulation of ballistic impact behavior of bio-inspired scale-like protection system. Materials and Design, 99(5): 201–210.

延伸學習:

草魚。2017。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%8D%89%E9%B1%BC(瀏覽日期:2017/02/25)。

邵廣昭、陳靜怡。2003。魚類圖鑑:台灣七百多種常見魚類圖鑑。遠流出版事業股份有限公司,444頁。

劉鵬、汪俊文、朱德舉。2016。草魚鱗片的多級結構及力學性能。複合材料學報, 33(3): 657-665。

2017年5月1日 星期一

『臺博新知』:新型透明螢幕仿生歐洲帽貝發光機制

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

歐洲帽貝(Patella pellucida)只靠改變無機物質排列模式反射藍光產生色彩,不同於其他生物如鳥類、蝴蝶、和甲蟲的鮮豔色彩圖案都源自色素細胞、或幾丁質、鳥嘌呤等有機材料結構,是首例使用提供機械保護的礦化無機物結構而產生光學顯示的生物。美國科學家已解密歐洲帽貝殼的微結構和發光機制,未來可透過奈米製造技術,控制無機材料如碳酸鈣分子變化多種排列,就能在不同光照下呈現各種顏色圖案,開發無需發光體等內部光源、僅靠環境光線即可運作、顯示訊息時不會妨礙原有視野的仿生透明螢幕。

仿生歐洲帽貝發光機制的透明螢幕靠環境光線即可運作,將用於商業廣告或玻璃、電子、電器產品(繪製者:王美乃)。

歐洲帽貝屬於腹足綱(Gastropoda)原始腹足目(Archaeogastropoda,現已改分至笠形腹足目Patellogastropoda)笠螺科或稱帽貝科(Patellidae),主要分布於東大西洋海岸從冰島、挪威、英國、到葡萄牙和加那利群島海岸的潮間帶和潮下帶,以足牢牢吸附海邊岩石棲息,或遊走沿岸海藻林進食並留下特殊圓形食痕。幼貝體長約2-5公釐,成貝體長約5-15公釐,身體扁平,半透明的殼薄而平滑、殼背隆起、殼底呈圓形或橢圓形,殼內為白色且具光澤,殼表呈角質色,有數條藍色虛線放射紋,在水中閃現耀眼藍光。

歐洲帽貝(Patella pellucida)會閃現藍光,是首例使用礦化無機物結構產生光學顯示的生物(圖片來源:歐陽盛芝)。

美國麻省理工學院馬蒂耶斯‧科勒(Mathias Kolle)助理教授與哈佛大學史蒂芬‧科勒(Stefan Kolle)博士合組研究團隊,調查歐洲帽貝的棲地和形態,發現可分成在海帶葉面具藍色條紋的薄殼族群、和躲藏在海帶基部幾無藍紋的硬厚殼族群,由於棲地附近存在四種有毒的海蛞蝓(Polycera elegans、Trinchesia caerulea、Facelina auriculata、和Felimare cantabrica)具類似顏色圖案,因此推論薄殼族群的藍色條紋是一種偽裝海蛞蝓的擬態,用以嚇退捕食天敵,但躲藏在海帶基部的硬厚殼族群即使無藍紋仍能存活。

他們觀察到歐洲帽貝的藍色條紋在幼貝殼先出現不連續之斑點,隨著成長過程增長,且連接成長度不等的虛線紋,但寬度保持恆定(0.1-0.2公釐),這種條紋圖案、和從深藍色到綠松色的色調皆存在個體差異。當使用掃描式電子顯微鏡觀察,帽貝殼表的條紋區與其他區域在結構上完全相同,研究團隊因此認為條紋圖案來源可能出自殼的更深處特徵。

帽貝殼的主要成分是碳酸鈣(CaCO3),當使用穿透式電子顯微鏡觀察殼的縱剖面,在藍色條紋區域,殼的頂層和底層相對均勻,具有與其他種貝殼結構類似碳酸鈣片晶和薄的有機層緻密堆疊,因不同排列模式,自外至內可分為六層,包括不規則片層層(irregular lamellar layer)、光子多層(photonic multilayer)、膠體粒子層(colloidal particles layer)、交叉片層層(cross-lamellar layer)、棱柱層(prismatic layer)、和複合交叉片層層(complex cross-lamellar layer)。

不規則片層層下方10-20微米(μm=10-6m)處為光子多層區,由厚度113.0±11.2奈米(nm=10-9m)的方解石(calcite)片層,以52.8±7.0奈米規則間隔和144.4°±3.0°傾斜角度,構成鋸齒形圖案的多層結構,寬度配合藍色條紋寬度約100微米(0.1公釐),殼中心有40-60層,厚度約7-10微米,然後向周邊漸減片層數量,至殼邊緣最薄。通常薄片層間的空隙可能充滿水或低密度水合物,奈米級礦物橋會連接相鄰薄片,並以錯位連結片層邊緣,加強此結構的機械穩定性。但在藍紋以外區域,礦化結構單元緊密堆積,無任何明顯間隔。

膠體粒子層位於光子多層區下方,厚度約為5微米,由碳酸鈣粒子堆疊成球形膠體顆粒,隨機分散成無序排列,平均粒徑313±101奈米,寬度較光子多層略小,因此藍色條紋邊緣下方無膠體粒子,這層與光子多層形成雙重微結構的光學組合,可過濾陽光。研究團隊使用光學顯微鏡、光譜學、和繞射顯微鏡檢測,發現光子多層的優化結構能反射藍光和綠光,膠體粒子層可吸收其他波長的透射光,使反射的藍光和綠光更飽和艷麗。這種光學效應讓其反射的藍光強度,在位於水深10和20公尺處,仍達到在水面時的77%和60%,提供良好的顏色保真度,即使距離大於5公尺處,潛水員還可看到海帶上歐洲帽貝反射的藍光。且測試得知,當堆疊更厚的碳酸鈣分子或改變層間距離時,藍色條紋的顏色隨之變化。

這項研究成果已於2015年2月在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,未來將可廣泛應用於商業廣告或車窗、門窗、家具、廚具、眼鏡、電子或電器設備透明結構等日常生活產品,可顯示地圖、導航資料、外部溫度等資訊,或能進行視訊通話和收發電子郵件,不會阻擋視野,甚至可研發利用頭部或基座傾斜就能改變材料厚度和間距的動態螢幕。

(以上新聞編譯自2015年2月26日發行之Nature Communications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:2017/4/27
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:新型透明螢幕仿生歐洲帽貝發光機制

資料來源:
Li, L., S. Kolle, J. C. Weaver, C. Ortiz, J. Aizenberg, and M. Kolle. 2015. A highly conspicuous mineralized composite photonic architecture in the translucent shell of the blue-rayed limpet. Nature Communications, 6(6322): 7322-1-11 (+ 8 pp. Supplementary Information).

延伸學習:
李文正。2016。松下推出透明螢幕,「毫無存在感的電視機」。壹讀,2016年10月5日。


劉胖胖。2016。雙面、曲面、超窄邊、透明螢幕!LG OLED商用顯示器在台首發亮相。LPCOMMENT科技生活雜談,2016年11月8日。

Graham, A. and V. Fretter. 1947. The life history of Patina pellucida (L.). Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom, 26 (4): 590-601.

Jennifer Chu. 2015. A mollusk of a different stripe : optical features embedded in marine shells may help develop responsive, transparent displays. MIT News, February 26, 2015.

Patella pellucida. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Patella_pellucida (Visit date: 2017/03/16).

Singer, M. 2015. Blue-rayed limpet holds secret for windscreen transparent displays with no internal light source. Market Business News, February 27, 2015.

Suzuki, M., J. Kameda, T. Sasaki, K. Saruwatari, and H. Nagasawa. Characterization of the multilayered shell of a limpet, Lottia kogaamogai (Mollusca: Patellogastropoda), using SEM-EBSD and FIB-TEM techniques. Journal of Structural Biology, 171(2): 223-230.

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