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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]。

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。

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:

  • 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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文章難易度
鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 531 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。現為泛科知識公司的知識長。


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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。