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來人,餵蠶吃碳!吃了奈米碳管和石墨烯吐出強韌的超級蠶絲

鄭國威 Portnoy_96
・2016/10/11 ・1769字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

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蠶。圖/Harsha K R@flickr
蠶。圖/Harsha K R@flickr

(背景音樂:摩斯拉~摩斯拉~~)

養過蠶寶寶嗎?小時候因為上自然課,會到附近的柑仔店買蠶來養,然後到處去摘桑葉來餵牠們。不過說真的,我從沒真正搞懂為何要養,也不太認真照顧,現在回想起來實在有點殘忍,但依舊記得牠們一顆一顆色澤不同的繭,有白有黃有泛青。

話說養蠶取絲、織成絲綢一直是古代中國最獨門的技術之一,絲綢因為其獨特觸感跟光澤,曾經是國際貿易的主要物資,古代中國也曾嚴密管制技術外流,當然後來還是被其他國家山寨了,可即使如此,中國目前依舊是全球絲綢最大產地,2015 年生產了 17 萬公噸,是第二名印度的六倍[1]。

中國北京清華大學張瑩瑩副教授率領的團隊,近幾年一直在研究低維奈米碳材料的可控製備、性能調控與應用探索,特別是希望做出柔軟的電子器具、可以感測環境或是傳輸能源。因此她們便將目光轉向蠶絲,希望替這種受到人類廣泛研究跟應用的天然蛋白纖維找尋新的未來:讓本來就強韌的蠶絲變得更加強韌

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張瑩瑩副教授,圖片取自中國清華大學化學系 http://www.chem.tsinghua.edu.cn/publish/chem/2142/2015/20150122211105423973151/20150122211105423973151_.html
張瑩瑩副教授,圖片取自中國清華大學化學系

過去研究人員為了要改變蠶絲試過許多方法,直接在絲上添加染劑、抗微生物劑、導電聚合物和奈米顆粒。張瑩瑩團隊過去曾經透過「高溫熱裂解」來使碳化絲綢具有「耐米石墨晶-微米級纖維-宏觀編織圖案」的分級結構,從而表現出柔性、高可拉伸性和高導電性的特點

不過,這次他們則嘗試直接讓蠶吃下「奈米碳管」和「石墨烯」,使牠們吐出「超級蠶絲」。

說到蠶絲的來源,是蠶將唾腺產生的絲蛋白溶液吐出成細絲,再把自己旋轉捆繞成繭,就在牠們準備羽化成蛾之前,人類將繭放進沸水中煮,並及時抽絲而成(當然蠶就都死了)。為了要得到「超級蠶絲」,張瑩瑩的研究團隊先調配 0.2% 的奈米碳管或石墨烯溶液,噴在桑葉上,接著就按著標準的程序養蠶取絲。如果是在已經紡絲的絲上加工,需要將奈米材料溶解在有毒的化學溶劑中,再施加於絲上,因此用餵食的方法是更簡單,對環境也更好的方式。

在高解像能電子顯微鏡(High-resolution transmission electron microscopy)的成像中,一般蠶絲纖維呈現非晶質石墨(amorphous graphite )結構(頂部),而含有單壁奈米碳管(中間)和石墨烯(底部)的蠶絲纖維具有更有序的結構。 圖/Nano Lett

與一般的絲比較起來,這種「碳增強絲」的韌性增為兩倍,並且可以在斷裂之前承受多以往 50% 以上的應力。團隊將絲纖維加熱至 1050℃ ,使其碳化,然後研究導電性和結構。由於納入奈米材料,這種蠶絲竟然能夠導電,而拉曼光譜和電子顯微鏡成像更顯示,碳增強絲纖維具有更有序的晶體結構。

雖然聽起來很棒,但還是有些問題。例如研究人員還不知道蠶到底是如何將奈米材料納入絲裡,到底納入的百分比是多少,又有多少經由排泄或代謝流失。研究團隊在絲線的橫截面中沒有看見碳材料,也許是因為奈米顆粒含量很低。不過想要回答這些問題,得靠生物學家來共同參與了。

中國上海東華大學的聚合物化學家沈青在 2014 年使用 30 奈米的多壁奈米碳管也做過了類似的實驗(Mater. Sci. Eng., C 2014, DOI:10.1016/j.msec.2013.09.041),他同樣發現絲纖維的強度跟韌性有所提升。不過張瑩瑩表示他們所使用,約 1 到 2 奈米寬的單壁奈米碳管更適合納入絲蛋白的晶體結構。同樣是中國上海東華大學,隸屬纖維材料改性國家重點實驗室的張耀鵬研究員也曾將二氧化鈦奈米顆粒餵給蠶,產生出能夠抗紫外線降解的超級絲。他表示張瑩瑩團隊研究出的碳強化絲將可能適合嵌入在智慧型紡織品中,作為傳感器和讀取神經訊號。

看起來餵給蠶各種奇妙的奈米材料,然後看會吐出什麼樣的絲正是顯學,你想到要餵蠶吃什麼了嗎?

編輯提醒:科學家叔叔阿姨有測試過,小朋友在家不要亂餵蠶吃東西喔!!!!

本文編譯自 Chemical and Engineering News 網站報導:Silkworms that eat carbon nanotubes and graphene spin tougher silk

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原始論文:

  • Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers, Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03597

參考資料:

  1. BBC 知識雜誌國際中文版 2016 年 10月號
  2. “丝绸之路”——从桑蚕丝绸到可穿戴智能设备,X-MOL,2016.08.08
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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 1309 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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超壓縮的水會變成冰?!二維奈米薄冰能在室溫下穩定存在嗎?有什麼用途?——專訪中研院原分所謝雅萍副研究員
研之有物│中央研究院_96
・2024/03/10 ・4907字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|張琬婷
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術編輯|蔡宛潔

水能被擠壓成冰?

水在攝氏零度以下會結冰。然而,當水被擠壓到極限時,會形成二維的奈米薄冰,不僅室溫下穩定存在,還有從未見過的鐵電特性(Ferroelectricity),而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員,她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰,以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件,研究成果發表在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

奈米尺度下,物質特性會跟著改變?

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料,這是奈米科技的領域。奈米是什麼?奈米(nanometer)是長度單位,即 10-9 公尺,一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下,很多物質的特性會隨之改變,最常見的例子是「蓮花效應」,因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構,為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性,髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

電腦模擬圖(左)和實際照片(右),蓮葉上密集的微小突起,讓大顆的水珠和灰塵不易附著,這讓蓮葉具有疏水與自我清潔的特性。
圖|William ThielickeGJ Bulte

奈米材料(nanomaterial)是指三維尺寸的材料,至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維,就是平面的二維材料(2D),例如石墨烯;縮小兩個維度,就是奈米線(1D);三維都縮小,就是零維的奈米顆粒(0D)。

奈米科技(nanotechnology)的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼(Richard Feynman)在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢?」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人,他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

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過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發,但受限於製造技術不成熟,而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年,在掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)發明之後,不僅有助於材料的微觀分析,操縱單個原子和分子也成為可能,奈米科技也逐漸實現。

2013 年 IBM 研究人員使用 STM 顯微鏡將上千個一氧化碳分子製作成原子等級的動畫「男孩與他的原子」,目前是金氏世界紀錄最小的定格影片。

無處不在的奈米科技?

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是,從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例:防曬霜之所以是白色,是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒;許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物,來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性,例如汽車鍍膜或奈米光觸媒;羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂,讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業,奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀,以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級,製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」,謝雅萍說道。

IBM 展示 5 奈米技術的矽奈米片電晶體(nanosheet transistors),圖中堆疊起來的一顆顆橢圓形結構是電子通道的截面,IBM 設計立體結構以因應愈來愈小的元件尺寸。
圖|IBM

實驗中的難題,反而促成驚奇發現?

鐵電性是什麼?二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式?

對謝雅萍來說,發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關,畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目,理論上當兩層石墨烯很靠近時,分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態,沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

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然而,實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時,石墨烯開關仍會導通,甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久,嘗試思考了各種可能性,但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目,沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題,因此這個研究比預期多花了一兩年」,謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來,某次謝雅萍在與朋友討論研究時,突然想到一個可能的方向:「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料,但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕,開關關不緊會不會就是水的影響?」

設計實驗跑下去之後,謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來,兩層石墨烯結構中,真的有水分子的存在!「一般水分子用手去捏,還是會維持液體的狀態。但是我們發現,當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時,水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰!」,謝雅萍開心地說道。

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換句話說,當極限擠壓之下,水會結成冰,而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在!

示意圖,當水受到兩層石墨烯的極限擠壓之下,會形成單原子厚度的二維奈米薄冰,這層薄冰是鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在。
圖|之有物(資料來源|謝雅萍)

鐵電材料乍聽之下很抽象,謝雅萍表示:「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料,大多數人對鐵電材料比較不熟悉,其實概念十分相似」。她說,鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後,即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地,鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性,這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列,形成一個永久的電偶極,並且在電場消失後保持不變。

鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷排列方向。圖片顯示為順電狀態,極化方向和外加電場相同,箭頭表示每一小塊區域(Domain)的平均極化方向。
圖|之有物(資料來源|Inorganics

接著,謝雅萍發現,二維冰的鐵電性只存在於單層原子,增加多層原子之後,鐵電性會消失,變成普通的冰,這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰,是非常特殊的固態水,不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定,二維冰可以在室溫下穩定存在,不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現,要升溫到攝氏 80 度,被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度,這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

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於是,謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件,他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性,在施加不同外加電壓之後,元件可以維持上次操作的電阻值,並保留至下次操作,有這種特性的元件稱為「憶阻器」(memristor)。

憶阻器這個詞是由記憶體(memory)與電阻(resistor)組合而成,字面上的解釋便是:具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示:「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值,再以微小電壓讀取之前的電阻值,允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料,具備未來記憶體的發展潛能。

此外,二維冰奈米開關也是很好的開關裝置,團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬,開路和斷路的功能極佳,並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減,相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊,並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進,目前實驗室有和台積電(TSMC)合作,希望透過產學合作,將更多奈米技術的應用落地實現。

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謝雅萍與研究團隊用意外發現的二維奈米薄冰,以石墨烯為架構,做出了全世界第一個機械式的憶阻器。
圖|之有物

與二維材料實驗的相遇?

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員,同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人,她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果,創意與想法的激盪和交流,是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期,謝雅萍都在臺大物理所,鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶:「當時我們都要向化學系要材料,他們給什麼我們就得用什麼,但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到,擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫,讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構,進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好,也可以幫助學生建立重要人脈!」在指導教授引薦下,謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院(MIT)的二維材料實驗室,自此與二維材料結下不解之緣,她認為:「好材料與好元件是相輔相成的,前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後,深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作,然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行,學生之間會互相分享自己的研究內容,互相幫忙思考、激盪出新想法」,謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

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當年二維材料還在萌芽階段,她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者,她也因此立下了目標:「希望未來我有能力時,能夠自己掌控自己的材料做出好元件!」如今,謝雅萍正走在自己目標的道路上,過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人,直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料,身處這些男性為主的學術環境,謝雅萍顯得自在,而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性,讓自己融入整個以男性居多的環境中,才不會在團體中有突兀的感覺」,她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab,是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室,他們除了是工作上的夥伴,更是人生中的最佳拍檔!當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識,再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是:這種共同主持的模式與一般實驗室相比,是否有特別之處?

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「從多個面向而論,我認為都是 1+1>2 的」,謝雅萍說道,「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目,兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻,我們在研究上看的面向也都不一樣,因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充,不僅對實驗室本身而言,對學生也有很大的好處,「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人,代表學生的研究成果會非常扎實,也可以為學生帶來信心。」重要的是,「學生也會得到兩倍的照顧與關愛,我覺得我們的學生是蠻幸福的」,謝雅萍笑笑地說。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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【成語科學】抽絲剝繭:尼龍發明前的超耐磨繩材——柞蠶絲!
張之傑_96
・2023/09/13 ・1032字 ・閱讀時間約 2 分鐘

中國人是世界上最早養蠶的民族。根據可考的資料,至少有 5000 千年之久,難怪中國又有「絲國」之稱。

蠶是唯一馴化的昆蟲,所以稱為家蠶。人們長期養蠶,自然而然產生了許多和蠶或蠶絲有關的成語,譬如鯨吞蠶食、作繭自縛、抽絲剝繭、破繭而出、一絲不掛等等。讓我選擇「抽絲剝繭」作為樣本,來談談蠶繭和蠶絲吧。

圖/Wikimedia

蠶卵孵化後,吃著桑葉長大。經過三眠或四眠,開始吐絲結繭,把自己裹起來。蠶在繭裡化蛹,羽化後變成蠶蛾。蠶蛾從口中吐出鹼性液體,讓蠶繭一端軟化,就可以破繭而出,飛出去尋找配偶,產生下一代。

蠶結繭時,抬著頭不停地繞著身體吐絲。若非受到干擾,吐的絕不間斷,一根絲竟然長達 500-1000 公尺!人們養蠶的目的,就是為了取得蠶絲。那麼怎麼將蠶繭上的絲抽出來呢?

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抽絲時要把蠶繭放在水裡煮,讓蠶絲間的膠質溶化,然後找出絲頭,才能將每個蠶繭上的絲抽出來,最後只剩下已被煮死的蠶蛹。抽絲時,同時抽取好幾個蠶繭,撚成一股絲線,這個過程稱為繅絲。

蠶繭。圖/Wikimedia

繅絲時,絲得一根一根地抽,繭得一層一層地剝。成語「抽絲剝繭」,比喻由表及裡,細緻地分析,以發掘真相。讓我們造兩個句吧。

這宗刑案,經過警方抽絲剝繭,終於真相大白。

在我抽絲剝繭之下,這道數學難題終於解開了。

家蠶屬於鱗翅目、蠶蛾科。鱗翅目分為蛾類和蝶類兩大類,牠們是完全變態昆蟲,一生分為卵、幼蟲、蛹和成蟲等 4 個階段。蛾類和蝶類有若干差異,包括蛾類的觸鬚呈羽狀,蝶類呈棍棒狀;蛾類大多夜間活動,蝶類大多白晝活動。此外還有一個差異,就是蛾類會結繭;蝶類不結繭,牠們的蛹有個硬殼保護。

由於蛾類會結繭,所以除了家蠶,還有幾種野蠶可養來抽絲。最有名的野蠶是柞蠶,屬於天蠶蛾科,以殼斗科的植物為食。柞蠶起源於中國北方,現已傳播到韓國、日本、印度等地。篦麻蠶,屬於天蠶蛾科,起源於印度,現已傳播到中國、日本及義大利等地。

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這兩種野蠶都採野放的方式,也就是在野外飼養,結繭時到樹上採收。野蠶絲的織品,不如家蠶絲細緻,但堅韌耐磨。尼龍沒發明前,降落傘的繩索就是柞蠶絲製的。

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來人,餵蠶吃碳!吃了奈米碳管和石墨烯吐出強韌的超級蠶絲
鄭國威 Portnoy_96
・2016/10/11 ・1769字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

蠶。圖/Harsha K R@flickr
蠶。圖/Harsha K R@flickr

(背景音樂:摩斯拉~摩斯拉~~)

養過蠶寶寶嗎?小時候因為上自然課,會到附近的柑仔店買蠶來養,然後到處去摘桑葉來餵牠們。不過說真的,我從沒真正搞懂為何要養,也不太認真照顧,現在回想起來實在有點殘忍,但依舊記得牠們一顆一顆色澤不同的繭,有白有黃有泛青。

話說養蠶取絲、織成絲綢一直是古代中國最獨門的技術之一,絲綢因為其獨特觸感跟光澤,曾經是國際貿易的主要物資,古代中國也曾嚴密管制技術外流,當然後來還是被其他國家山寨了,可即使如此,中國目前依舊是全球絲綢最大產地,2015 年生產了 17 萬公噸,是第二名印度的六倍[1]。

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中國北京清華大學張瑩瑩副教授率領的團隊,近幾年一直在研究低維奈米碳材料的可控製備、性能調控與應用探索,特別是希望做出柔軟的電子器具、可以感測環境或是傳輸能源。因此她們便將目光轉向蠶絲,希望替這種受到人類廣泛研究跟應用的天然蛋白纖維找尋新的未來:讓本來就強韌的蠶絲變得更加強韌

張瑩瑩副教授,圖片取自中國清華大學化學系 http://www.chem.tsinghua.edu.cn/publish/chem/2142/2015/20150122211105423973151/20150122211105423973151_.html
張瑩瑩副教授,圖片取自中國清華大學化學系

過去研究人員為了要改變蠶絲試過許多方法,直接在絲上添加染劑、抗微生物劑、導電聚合物和奈米顆粒。張瑩瑩團隊過去曾經透過「高溫熱裂解」來使碳化絲綢具有「耐米石墨晶-微米級纖維-宏觀編織圖案」的分級結構,從而表現出柔性、高可拉伸性和高導電性的特點

不過,這次他們則嘗試直接讓蠶吃下「奈米碳管」和「石墨烯」,使牠們吐出「超級蠶絲」。

說到蠶絲的來源,是蠶將唾腺產生的絲蛋白溶液吐出成細絲,再把自己旋轉捆繞成繭,就在牠們準備羽化成蛾之前,人類將繭放進沸水中煮,並及時抽絲而成(當然蠶就都死了)。為了要得到「超級蠶絲」,張瑩瑩的研究團隊先調配 0.2% 的奈米碳管或石墨烯溶液,噴在桑葉上,接著就按著標準的程序養蠶取絲。如果是在已經紡絲的絲上加工,需要將奈米材料溶解在有毒的化學溶劑中,再施加於絲上,因此用餵食的方法是更簡單,對環境也更好的方式。

在高解像能電子顯微鏡(High-resolution transmission electron microscopy)的成像中,一般蠶絲纖維呈現非晶質石墨(amorphous graphite )結構(頂部),而含有單壁奈米碳管(中間)和石墨烯(底部)的蠶絲纖維具有更有序的結構。 圖/Nano Lett

與一般的絲比較起來,這種「碳增強絲」的韌性增為兩倍,並且可以在斷裂之前承受多以往 50% 以上的應力。團隊將絲纖維加熱至 1050℃ ,使其碳化,然後研究導電性和結構。由於納入奈米材料,這種蠶絲竟然能夠導電,而拉曼光譜和電子顯微鏡成像更顯示,碳增強絲纖維具有更有序的晶體結構。

雖然聽起來很棒,但還是有些問題。例如研究人員還不知道蠶到底是如何將奈米材料納入絲裡,到底納入的百分比是多少,又有多少經由排泄或代謝流失。研究團隊在絲線的橫截面中沒有看見碳材料,也許是因為奈米顆粒含量很低。不過想要回答這些問題,得靠生物學家來共同參與了。

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中國上海東華大學的聚合物化學家沈青在 2014 年使用 30 奈米的多壁奈米碳管也做過了類似的實驗(Mater. Sci. Eng., C 2014, DOI:10.1016/j.msec.2013.09.041),他同樣發現絲纖維的強度跟韌性有所提升。不過張瑩瑩表示他們所使用,約 1 到 2 奈米寬的單壁奈米碳管更適合納入絲蛋白的晶體結構。同樣是中國上海東華大學,隸屬纖維材料改性國家重點實驗室的張耀鵬研究員也曾將二氧化鈦奈米顆粒餵給蠶,產生出能夠抗紫外線降解的超級絲。他表示張瑩瑩團隊研究出的碳強化絲將可能適合嵌入在智慧型紡織品中,作為傳感器和讀取神經訊號。

看起來餵給蠶各種奇妙的奈米材料,然後看會吐出什麼樣的絲正是顯學,你想到要餵蠶吃什麼了嗎?

編輯提醒:科學家叔叔阿姨有測試過,小朋友在家不要亂餵蠶吃東西喔!!!!

本文編譯自 Chemical and Engineering News 網站報導:Silkworms that eat carbon nanotubes and graphene spin tougher silk

原始論文:

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  • Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers, Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03597

參考資料:

  1. BBC 知識雜誌國際中文版 2016 年 10月號
  2. “丝绸之路”——从桑蚕丝绸到可穿戴智能设备,X-MOL,2016.08.08
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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 1309 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。