0

0
0

文字

分享

0
0
0

製造防彈背心必備的纖維「克維拉」,為何能夠強鋼勝鐵?

李赫
・2018/11/22 ・3263字 ・閱讀時間約 6 分鐘

輕量、高強度的先進材料,不只是在科幻片中存在,也已被真實的應用於我們的生活中。像是應用於防彈背心的高強度纖維,看似柔軟,強度卻勝過鋼鐵。這樣不太合乎一般人認知的產物,是怎麼發明出來的呢 ?

高強度纖維救了無數人的性命。 圖/CBS Chicago

過往要製造盔甲等護具,能夠選用的材料不外乎金屬有機物,例如最為人熟悉的盔甲原料──鐵。但鐵最大的問題就是材料密度高 ( 7.86 g/cm3),若當成防彈衣材料相當笨重,造成著裝的人行動不便。

原子間的作用力非常強,若可以大面積有序的排列,就有機會提供足夠的強度,應用在防彈衣上。所以,如果選用有機物來製作呢?

有機物中之碳、氮、氧 為分子中常見的元素,就原子量而言,三者皆比鐵的重量還輕。問題在於,如何能夠讓這些「輕」的元素產生足夠的強度,想辦法讓原子排列形成化學鍵甚至排列成更大的分子呢?

材料的基礎:原子與分子間的作用力

討論如何調整的材料以製作盔甲之前,讓我們往回推一點點,認識所有材料的基礎:原子與分子間的作用力

1. 原子間的作用力──鍵結

原子與原子互相排列結合形成分子,原子間會有作用力穩定結構,這股將原子連在一起的力量稱為化學「鍵結」。鍵結可以細分為離子鍵金屬鍵共價鍵離子鍵存於正/負離子之間,金屬鍵存於金屬之間,共價鍵多存於有機物(非金屬)間。

有了鍵結之後,若要增加形成分子後整體結構的強度,則要依靠分子間的作用力

2. 分子間的作用力──凡德瓦爾作用力與氫鍵作用力

分子間的作用力有「凡德瓦爾作用力」與「氫鍵作用力」兩種。

凡德瓦爾作用力的成因是因為分子間各個原子的電子分布不均勻而產生電偶極(electric dipole),電偶極與電偶極之間所產生的吸引力,就是凡德瓦爾力。

另一種氫鍵作用力則是氫原子特有。當氫原子與氮、氧、氟排列(-N-H、-O-H、-F-H)形成共價鍵時,兩者會因為拉引電子的能力差異較大,導致電荷分佈不均勻而形成電偶極,電偶極間的吸引力稱為氫鍵。

氫鍵的強度(鍵能最大約為 200 kJ/mol,一般為 5-30 kJ/mol)大於凡德瓦爾作用力( < 5 kJ/mol),能有效穩定蛋白質結構,所以廣泛存在於自然界生物體之蛋白質中,像是我們人體的 DNA、蛋白質結構,都是靠氫鍵來穩定的。  

水分子因為局部極化造成分子間作用的氫鍵

既然自然界這麼多物質都是依賴氫鍵穩定結構,那麼我們是否可以師法自然,用氫鍵的原理來增加材料的強度,製造防彈衣呢?

這就是高強度纖維誕生的起點啦!

神奇纖維克維拉

克維拉(Kevlar)化學名為「聚對苯二甲酰對苯二胺」,化學式的重複單位是「-[-CO-C6H4-CONH-C6H4-NH-]-」。它是美國杜邦公司於1965年推出的一種芳香聚醯胺類合成纖維,由波蘭裔美國化學家斯蒂芬妮·克沃勒克發明。

發明克維拉的波蘭裔美國化學家斯蒂芬妮·克沃勒克。由 Science History Institute, CC BY-SA 3.0

克維拉有極佳的抗拉性能,抗拉伸強度為同等質量鐵的五倍之多,但密度僅為鋼鐵五分之一左右(克維拉密度為每立方公分 1.44 克;鋼鐵密度為每立方公分 7.86 克),因此 1970 年代初便開始被用於替代賽車輪胎中的部分鋼材,現在更被廣泛用於船體、飛機、自行車輪胎、軍用頭盔防彈背心等。

克維拉到底有什麼特別的?為何一個有機化合物的強度能高過鋼鐵五倍?

首先我們來看看克維拉的合成。它是由對苯二胺(para phenylene diamine )與對苯二甲醯氯(Terephthaloyl chloride)聚合後所形成的「聚對苯二甲酰對苯二胺」聚合物。

對苯二胺(para phenylene diamine )與對苯二甲醯氯( Terephthaloyl chloride)聚合後所形成的「聚對苯二甲酰對苯二胺」聚合物──克維拉(Kevlar)。 [4]
其中「苯環(六角形之環狀結構)」的結構剛性較強,而且是平面結構不能夠轉動,能為分子帶來一定程度的剛硬性。

並且在形成高分子聚合物後,每一個「對苯二甲酰對苯二胺基本單元」會與鄰近的「對苯二甲酰對苯二胺基本單元」形成四組氫鍵(如下圖所示),更大大提升了克維拉(Kevlar)的強度。這與自然界蛋白質結構穩定的原理相同,都是應用氫鍵增加穩定性及結構強度。

對苯二甲酰對苯二胺之基本單元會與鄰近之對苯二甲酰對苯二胺單元形成氫鍵。 [2]

高分子鏈段強度再增加

一個有分子間作用力的高分子若分散於溶液中,會呈現有如凌亂毛線球的展開狀態,所以當我們要將高分子做成纖維來紡織時,會先將高分子材料拉成纖維絲,使高分子部分順向延伸。(如下圖所示[2])

但如果是一個具有高度分子間作用力的高分子,將之分散於溶液中則仍然存在部分有序狀態,經過拉絲後則會使高分子內部有序區塊順向排列延伸。此一結果大幅增加了高分子的強度 > 15倍) [6],此一現象就好像高分子間彼此有作用力將分子與分子束縛住來增加整體受力強度而使物理性質提升。這樣形成的高強度纖維可以用來當成防彈衣的材料。(如下圖所示[2])

由於克維拉是有規則結構的高分子,而且高分子間的氫鍵又可促成特定的有序排列「結晶」[7],因此大大增強往後克維拉(Kevlar)拉成纖維後的物理性強度,也成就了它能抵禦子彈的強大能力。(如下圖所示[2])

(A)無序之高分子  (B)分子間作用力造鏈段有序排列之高分子

許多人類的發明靈感都來自於大自然,克維拉(Kevlar)所應用的原理,不過是高分子結構的特性罷了,卻創造出了這樣特殊且可以多樣化運用的高強度纖維。師法自然不只是回到原點,有時候也會成為新的起點。

蜘蛛網的強韌,也有一部分是因為高分子作用力喔! 圖/TRAPHITHO @Pixabay

參考資料 :

  • 文字編輯/翁郁涵

文章難易度
李赫
9 篇文章 ・ 3 位粉絲
中央大學理學博士。為熱愛傳播知識與吸收知識的 作家/教育/研究學者。 對於居家設計與生活時尚亦有高度興趣 (FB作者專頁)。

0

0
0

文字

分享

0
0
0

看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!

Riley Tu_96
・2021/09/17 ・2195字 ・閱讀時間約 4 分鐘

不到一毫米身長的水熊蟲,是一種多細胞微小的生物,在 18 世紀被科學家發現,歸類於緩步動物門,目前全球被發現大約有 1000 種,棲息地在淡水沉積物、苔鮮類的水膜以及少數種類棲息於海水的潮間帶,在喜馬拉雅山脈或深海都可以發現牠們的身影。

聽起來毫不起眼…嗎?那你就錯了,牠可是目前是第一種被認證可在太空中生存的動物,堪稱地表上最強的生物!

水熊蟲在顯微鏡下的樣子。圖/flicker, CC BY 2.0。

環境不太舒適? 那就「假死」一下吧

水熊蟲體長通常在 0.3-0.5mm 左右,擁有頭部和四個體節,身體的表面含有幾丁質(節肢動物外殼的成分),擁有 8 隻腳,末端有爪子、吸盤跟腳趾,在顯微鏡下觀察,看到牠們身形飽滿、動作又笨重,所以被科學家稱為「水熊蟲」。

在 2019 年年 2 月 21 日,以色列的太空船創世紀號墜毀在月球,卻意外發現有大量的水熊蟲在 DVD 大小的鎳片,其實在 2007 年 FOTON-M3 任務,水熊蟲在太空待了十天,隨後回到地球,發現約 70% 的水熊蟲存活,並成功繁衍後代。

水熊蟲可以在乾燥、高溫(約為150 °C)、絕對零度(-272℃),面對輻射以及真空下的環境存活,因為具有四種隱生狀態,低濕隱生、低溫隱生、變滲隱生跟缺氧隱生,面對不利於生存的環境下,牠們會捲縮起來,讓水分排出、暫停身體代謝,處於「假死」的狀態!

科學家們表示微重力和宇宙輻射,對水熊蟲影響不大,未來有望在太空研究中扮演重要的角色!

水熊蟲可以上山下海,不禁讓人心想,那些因太空船墜毀而登上月球的水熊蟲,至今是否還能行動? 

名子有「熊」、長了八隻腳,步態卻像蟲?

最近刊登在「美國國家科學院院刊」(Proceedings of National Academy of Sciences, PNAS)的一項新研究,透過用高速攝影記錄了水熊蟲的移動,意外發現水熊蟲的爬行方式跟比自己大 50 萬倍的昆蟲相似。

通常尺寸像緩步動物門一樣小的生物很少有腳,牠們不走路而只會四處滑動亂竄;水熊蟲卻擁有 8 隻腳,是一種很特別的生物,讓科學家不禁好奇,這麼微小的生物是利用什麼方式移動,於是對牠們進行了研究。

圖/GIPHY

洛克菲勒大學的研究團隊,在顯微鏡下長時間持續觀察水熊蟲,並記錄其行走的步態(走路時身體各部位週期性的動態表現)。研究人員 Jasmine Nirody 表示,水熊蟲在沒有外力干擾下,有時牠們會很冷靜,以每秒半個身長的速度悠閒地漫步;當牠們看到對自己有吸引力的事物,這時會像踩了油門般,加快速度往目標物前進,可以達到每秒兩個身長。

研究團隊從水熊蟲移動的步態,以科學角度來解釋,我們平常走路,腳跟後蹬,此時會產生靜摩擦力,所以水熊蟲的爬行是靠著腳與地面接觸獲得動力,然而當我們行走在不同環境 ( 光滑或粗糙地面 ) ,會受到不同壓力、產生靜摩擦力不同,不過牠們的肢體協調很靈活,不管在大海或沙漠,牠們都會去應變不同環境!

水熊蟲跟昆蟲、甲殼類動物很相似,牠們都是在不同速度下步態相同,而脊椎動物會依據不同的速度改變其步態。

對此,研究團隊有兩種解釋,第一種是緩步動物可能跟螞蟻或是果蠅這類昆蟲或其他節肢動物有演化上的共同祖先,甚至有相似的神經迴路;第二種可能性是緩步動物和節肢動物並沒有共同的祖先,這兩類不同群體的生物為了生存,而進化出相同的行走。

但這只是兩種假設性說法,到底答案是什麼,還需要科學家們進一步研究。

水熊蟲的一小步,是科技上的一大步

水熊蟲的研究除了對動物運動學有很大的進展,科學們之後有望研究出,微小尺度行動的機器人!

某種水熊蟲的雌蟲。圖/WIKIPEDIA, by Gąsiorek P, Vončina K。

例如 2020 年美國康乃爾大學跟賓夕法尼亞大學的研究團隊,設計出小於 0.1 毫米的微小機器人,一塊晶片上就可以製造出約一百萬個機器人。

從 4 吋晶圓切下的一塊晶片上,表面約有 100 萬個微型機器人。圖/參考資料 4

這個微小型機器人由矽太陽能光電材料製作的簡單電路,跟四個電化學執行器製成的腳組成。研究團隊把機器人放在 200 微伏電壓、10 奈瓦功率的雷射光照射,從顯微鏡下觀察,會發現這些機器人在液體中游動。

這些機器人目前只能移動,其他功能還需要開發,水熊蟲的研究對微小型機器人的設計有很大的幫助,如果機器人再經過改良,在醫學上也有幫助,例如:運送藥物、人工受精、執行組織切片或微型手術等,雖然當中也有風險,需要經過跨領域的專家協助,找出適合臨床的使用。

除了微小型機器人,也對仿生機器人有幫助,其中昆蟲機器人考量到複雜機構學、運動學、動力學、昆蟲步態等研究,未來昆蟲機器人朝向以微小尺度、可進入角落或縫隙、環境監測等目標前進!

參考資料

  1. Creature Survives Naked in Space, SPACE.com
  2. ‘Water bears’ are first animal to survive space vacuum, New Scientist.
  3. The physics behind a tardigrade’s lumbering gait, Science Daily.
  4. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots, Nature.

Riley Tu_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
一個喜歡涉略很多事物,卻被物理耽誤的女子。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策