向自然界奈米大師學習

仿生學 (Biomimetics)⎯

向自然界奈米大師學習

劉玉山 劉玉山

可融入章節

•高一基礎生物第4章

•高三生物第2章、第10章

蓮花效應 蓮花效應 (Lotus Effect) (Lotus Effect)

‧提出者—Wilhelm Barthlott 1997 德國

• 表面具有大小約5-15

μm

• 表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約 1 奈米的蠟質結晶 (wax crystal)

微米級表皮細胞與奈米級蠟質結晶的蓮葉 蓮葉上滾動的水珠

http://www.basf.de/

• 超疏水(superhydrophobicity) —水與葉面 的接觸面積小而接觸角變大，加強了疏水 性，同時也降低污染顆粒對葉面的附著力

• 自潔(self-cleaning) —滾動的水珠會順便把 一些灰塵污泥的顆粒一起帶走

蓮花效應(Lotus Effect)

(SEM)水銀與葉面接觸的狀況

圖形來源

C., Planta 202, p.1, 1997.

http://www.mannometer-nanometer.de

超疏水性與自潔性圖解

蓮花效應(Lotus Effect)的應用

‧拒水防塵—透過人工合成的方式，將特殊的化學 成分加入塗料、建材、衣料內等等，

使其達到拒水防塵的目的

http://corporate.basf.com

水滴在塗有奈米塗料木板上

，水與超疏水表面會有一接觸角

http://www.basf.de/

領航鯨 (Pilot whale)

• 研究者—C.Baum 德國

• 皮膚構造—皮膚分泌一種奈米級 粗糙的膠狀物質

• 優點—

自清潔—不會被浮游生物寄生

超疏水—減少游泳時產生的摩擦力

• 應用— 抗汙船體

http://www.exzooberance.com

領航鯨皮膚上的膠凝物質 (SEM) (短箭頭所指處)

http://nmml.afsc.noaa.gov

水的性質

圖片來源：南一版高三生物課本

http://www.sljs.ylc.edu.tw/w1.jpg

水黽(Watersterider)

• 研究者—中科院化學所 江雷( Nature 2004 )

‧構造—

中腳和後腳特別細長，長有許多奈米細毛(氣膜) 一隻腳在最大支持力達到其身體總重量的15倍

‧優點—

具有疏水性，利用水的 表面張力，使它們能在 水面上自由行走

SEM照片 b.無數細長微剛毛，20μm，

(c)單根剛毛上的精細螺旋狀奈米凹槽結構，200nm

http://www.sljs.ylc.edu.tw/w1.jpg

壁虎神功-奈米腳

• 研究者─ Robert, J. Full 2000

‧材料─東京壁虎(Gekko gecko)

‧結構─

腳底約有五十多萬根的細毛(seta)，長度為30- 130μm，密度為500根/mm ²

每根細毛末梢又分為400-1000支微毛 (spatulae)，直徑為200-500nm

每支微毛的最末梢成吸盤狀，半圓形的吸盤面 有利於接觸物體表面的圓形分子

http://www.lclark.edu

Gekko gecko

壁虎神功-奈米腳

A

B

C ^(SEM)

的spatulae

http://www.lclark.edu

壁虎神功-奈米腳

•特性─吸盤狀的微毛和物體表面分子的大小接近，所以能 夠緊密接觸而產生分子吸引力—凡得瓦力(van der Waals forces)

雖然每支微毛只可產生約為0.4微牛頓的微弱吸力，

但生長方向使壁虎腳掌和平面能緊密的結合，所有 微毛同時作用，吸引力即可高達十大氣壓，所以只 用單腳接觸物體就可產生100–200牛頓的力量，遠 超過一隻壁虎的體重

•應用─「不黏人」的膠帶或附著劑

•優點─可以輕易撕去而且不傷表面

http://pic.anhuinews.com

蜘蛛腳的奈米結構

A

http://physics.iop.org

B

.

setules

setules

C

蛾眼(moth eye)

A B C圖片來源 http://images.google.com.tw

A

B

D圖片來源 http://bugscope.beckman.uiuc.edu

C

D

蛾眼效應(moth eye effect)

•蛾眼構造—蛾眼角膜表面具有 奈米級微小突起

•蛾眼效應—突起小於光線波長，

所以反光性極低，

似乎可以吸收來自 四面八方的光線

•應用—不反光玻璃，可用於眼鏡

、汽車玻璃、電視或電腦 螢幕、展示櫥窗

http://chem.sci.gu.edu.au

200nm

光子晶體 (photonic crystals)與

彩虹效應 ⁽ rainbow effect)

• 光子晶體— 多孔奈米結構由於具有特定的物理結構

，因此可以反射特定波長的可見光

‧彩虹效應—某些蝴蝶翅膀上鱗片具有類似光子晶體，

週期70~100奈米網狀結構，可反射特定 顏色光，觀看角度不同，顏色改變

‧應用—不加染料

的奈米塗料

(SEM)翅膀鱗粉具有光子晶體結構的蝴蝶

圖片來源

http://nano.nchc.org.tw/photonic/ch1.php

蝴蝶與光子晶體的相關研究

‧研究者─L. P. Biro 匈牙利 2003

‧材料─lycaenid蝴蝶

• 研究結果─

低緯度─雄蝶因光子晶體而產生彩虹般的藍色 高緯度─翅膀呈現暗棕色，也沒有光子晶體結構

‧研究結果─天擇的結果，同樣光照下，棕色翅膀 的溫度提升較高，蝴蝶不至於凍死

‧應用─利用光子晶體開發控制溫度的材料，

例如太空衣

http://www.psigate.ac.uk

不同緯度的lycaenid蝶翼顏色

光子晶體—蛋白石與甲蟲殼

‧蛋白石─盛產於澳洲的寶石

蛋白石結構─由二氧化矽奈米球 (nano-sphere) 沉積形成的礦物，

其色彩繽紛的外觀與色素無關

‧甲蟲─澳洲 Pachyrhynchus argus 研究者─Andrew R. 2003

發現─鱗片有類似蛋白石 的光子晶體結構

(六角最密堆積)

http://nano.nchc.org.tw/

Pachyrhynchus argus 絢爛的外殼 蛋白石絢爛的外觀

甲蟲 (Pachyrhynchus agrus)

• 鱗片的結構—

鱗片有光子晶體一樣 的類似蛋白石的結構 (a中的綠色部分).

• SEM 顯示了幾個部分 重疊的鱗片(b)

• SEM顯示一個單獨

的鱗片側面具有"蛋白石"結構(C) 圖片來源 http://www.qiji.cn/news

/

光子晶體與海老鼠(Aphrodita)

‧海老鼠—海蠕蟲，身長約15-20公分，寬約5公分

‧顏色—針狀毛刺對光的反應，隨著入射角的偏離 顏色會隨之改變

‧結構—毛刺為奈米級六角晶格的週期結構

http://www.physics.usyd.edu.tw

Aphrodita背部覆蓋了毛氈狀的長刺和絢爛外觀 SEM 下 Aphrodita毛刺結構

仿生學(Biomimeties )—

向自然界奈米大師學習

‧美國新經濟雜誌「Business 2.0」預期—

「仿生」是未來人類開創更美好新世界的 八大科技之一！

• 美國知名科學家 Stephen Wainwright—

仿生學將結合分子生物學並取代分子生物

技術，成為21世紀最具挑戰性與重要性的

生物科技！