防彈衣跟 T 恤一樣輕?用了蜘蛛絲就可能! ———《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

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在《蜘蛛人》系列電影中,蜘蛛人靠著強韌的蜘蛛絲,不僅可以飛簷走壁,還能當成武器來攻擊敵人、拯救世界;現實世界中,蜘蛛靠著蜘蛛絲捕捉獵物、保護自己……,每一根蜘蛛絲都蘊藏著大千世界的無窮奧妙,一直是科學家相當著迷且亟欲破解的自然界奧祕,可說是相當熱門且歷史最悠久的仿生材料研究主題。

圖/Pixabay

蜘蛛絲擁有極高的強度、延展性及韌性,且重量極輕——如果拿蜘蛛絲環繞地球一圈,所需要用到的蛛絲,總重量還不到 500 公克;最重要的是,對科學家來說,蜘蛛絲是純蛋白質,擁有極高的生物相容性,不易產生人體免疫反應,十分適合開發更加多元的應用,包括:軍事科學、醫療生技、紡織、工業等,是極具發展潛力的智慧生物材料。

事實上,早在十幾年前,工研院生醫工程中心(生醫與醫材研究所前身)便研擬將蛛絲基礎科學研究計畫列為前瞻科技計畫之一,由工研院研究員楊正昌、東海大學生命科學系教授卓逸民與國輻中心研究員許火順等人合作,以同步輻射X 光繞射實驗進行台灣人面蜘蛛絲研究,獲得三大發現:

第一,蛛絲耐熱性高,加熱到攝氏 200 度至 300 度時,蛛絲的奈米晶體才會崩解。

第二,蛛絲的粗細大約是頭髮的十分之一,強韌度卻是同重鋼絲的五倍,彈性是尼龍的三倍。

第三,蛛絲輻射狀的主要骨架稱為拖曳線,拖曳線的絲碰到水,長度會收縮為原本的一半,但更有彈性,能像橡皮筋般拉扯,超越多數人造纖維所能達到的程度。

利用基因工程,可大量生產人造蜘蛛絲蛋白,提供各類應用所需。(圖/楊正昌提供)

蛛絲的強韌關鍵:蛋白奈米晶體

一根蛛絲上同時擁有兩種蛋白奈米晶體,一種是排列整齊的結晶,另一種是不規則的混亂結晶,堅硬的晶體與柔軟的蛋白質體結合形成複合材料,強化了蛛絲的硬度與韌性,甚至使得蛛絲可以吸收巨大衝擊能量,僅需要極微量便能達到防彈效果,讓防彈衣可以做成如 T 恤般輕便,比現行防彈衣材料克維拉(Kevlar)纖維還要輕。

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不過,蜘蛛是肉食動物,無法大量飼養,天然蜘蛛絲受限於產量和製程等因素,產品開發與實際生產仍有不少瓶頸,於是,科學家將蜘蛛絲蛋白基因殖入山羊乳腺細胞、倉鼠、大豆、大腸桿菌或酵母菌的基因,以基因工程方式生產大量蜘蛛絲蛋白,希望開發出比擬天然蛛絲特性的仿生蜘蛛絲。

以台大生科系教授吳亘承為例,他以天然蜘蛛絲纖維做為生醫工程材料,在蛛絲表面重新組裝蛋白質、酵素、抗體等物質,賦予蜘蛛絲纖維嶄新的生物化學功能,應用在動物癌症細胞株純化與分離,並成功將蜘蛛絲蛋白基因殖入大腸桿菌,大量生產蜘蛛絲蛋白,做為各類應用的仿生材料。

高強度纖維已廣泛應用在我們的日常生活,除了碳纖維,芳香族聚醯胺類纖維更因性能優異與形式多樣,成為目前應用最廣、產量最大的纖維,在國防、航太、汽車、能源材料等領域具有不可取代的地位。

譬如,國輻中心研究員莊偉綜、周哲民與遠東新世紀公司合作,開發出新型聚醯胺類纖維材料,具有高強度、質輕、耐高溫且耐化學侵蝕等特質,可以應用在輕航器、大型機具吊掛繩索、海底電纜等項目。

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——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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