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巨觀自組裝材料的設計

Scimage
・2013/04/11 ・554字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

物體的構成在巨觀世界跟微觀世界有著完全不同的方法,在微觀的世界中,很多物質具有自組裝的能力,可以巧妙的利用物質間的交互作用力組成各種功能性的結構。而在巨觀的世界裡,除了由生物主導的自然界環境之外,幾乎所有的人造物體,都是需要經過設計加工的過程與人為細部的組裝來完成。但是這樣的限制是怎麼來的?有沒有可能利用自組裝方式來完成各種巨觀物體的外型與功能設計?

其實這樣的研究一直有科學家在進行,如介紹過的自己折起來的膜,在巨觀作用的分子魔鬼氈,或是記憶金屬等。 但是如果要大規模的設計,就需要一套設計的哲學跟發展方式,這個演講介紹了一些利用物體作用力跟局部材料性質設計所引起的自組裝方式。希望可以利用程式化設計的方式,在材料性質與作用力設計上把微觀自組裝的方式引入巨觀的世界,利用像是振動或是水引起的物理性質變化,來組裝不同的材料。這樣個方式或許最後沒有辦法取代現在的工業製造模式,但是在某些方面,例如介紹過的利用折紙技術做成太空的太陽能板,所是利用氣球網狀結構來做血管支架等一些人力難及的地方或許可以有更多好的應用跟創新!

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化學家的繩結挑戰!合成出最緊的分子結
活躍星系核_96
・2017/02/08 ・2551字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

文/林宇軒

分子結的合成,可以說是獲得 2016 諾貝爾化學獎分子機械合成領域的濫觴,不過至今二十八年間,化學家總共只合成出三種分子結。曼徹斯特大學化學系教授大衛·雷伊(David Leigh)團隊,在今(2017)年一月於《科學》(Science)期刊上,發表目前為止交錯次數最多、最緊的分子結,可進一步研究其結構強弱,未來有機會開發出更堅韌或更柔軟的絲線。

為什麼化學家要打「分子結」?

編織與繩結技術在人類歷史上,一直都扮演著很重要的角色,知曉如何操作這些技術有助於製作出堅韌的船纜、拔河繩,或是保暖衣物。而隨著科技的進展,科學家們也不斷研究如何製作出更強韌、更柔軟的絲線,以滿足現代各式各樣的需求。

若能在分子尺度強化纖維,例如將分子互相纏繞或打結,必然會是非常有力的策略。事實上,分子尺度的結(molecular knot)在自然界中就找得到,像是在生物體內,可發現一些由 DNA 形成的分子結(例如原核生物環狀 DNA 複製後,形成的結),或是在某些蛋白質的結構中也能發現其蹤跡。

至今最緊、最複雜!交叉八次的分子結

化學家因此利用化學合成的知識與技術,嘗試人工合成分子結。第一個成功的便是最簡單的三葉結(trefoil knot),這是由 2016 諾貝爾化學獎得主索瓦(Sauvage)所帶領的團隊,於 1989 年合成出來的(延伸閱讀:2016諾貝爾化學獎)。不過,在拓樸學上,目前已知無法再被分解的基本結(prime knot)有六十億種,然而化學家從合成三葉結至今二十八年了,卻只合成出三葉結、八字結(eight-figure knot)、五葉結(pentafoil knot)。

目前已經成功合成的三種分子結,由左而右為:三葉結、八字結和五葉結。圖/取自 Science 期刊研究介紹影片
目前已經成功合成的三種分子結,由左而右為:三葉結、八字結和五葉結。圖/取自 Science 期刊研究介紹影片

曼徹斯特大學化學學院大衛·雷伊(David Leigh)教授所帶領的團隊,於今(2017)年一月在《科學》(Science)期刊上發表分子結合成的新進展,他們成功利用化學合成的方式,將四條分子鍊互相交錯,打出了一個在拓樸學上稱為 819 的分子結(如下圖),也就是繩子交錯八次的第十九號基本結。該結總共用了 192 個原子,形成了八個交叉的分子結,但整條分子鏈的長度僅有20奈米,是目前化學家所能合成的最複雜、也最緊的一種。

819 分子結的示意圖。
819 分子結的示意圖。

利用自組裝方法合成分子結

這麼微小的分子結當然很難用一般的方法繫出來,因此在合成方法的設計上,需要想辦法讓分子鏈能自行聚集、自己打結。

一般而言,如果化學家要將兩個分子拉近距離或是連接起來,要讓連接處的原子共享電子,也就是要讓兩個分子形成穩定的共價鍵,使彼此無法分離。不過分子無法控制自己的方向,而是隨意碰撞,使得只要遇到另一個分子上能分享電子的原子,就會發生反應,有機會產生錯誤構型、但相當穩定不會消失的分子,造成反應效率低落。

化學家為了要有效合成分子結,又不希望有太多不必要的副產物,因此改變策略,利用吸引力較弱的分子間作用力,例如凡德瓦力或氫鍵,來連接兩分子。好處是,因為這些作用力比共價鍵弱,即使在碰撞過程中,反應出一個不希望出現的產物時,錯誤構型的分子仍有機會斷開連結,變回原本的兩個分子。利用這樣的特性,設計出來的分子能夠在碰撞的過程中,不斷吸引、折疊,或是連接起來,等於是讓分子自動去找最穩定的結構,這種方法稱為「自組裝(self-assembly)」。

這樣的方法廣泛的應用於獲得 2016 諾貝爾化學獎的分子機械領域中,當然,也用於合成分子結。雷伊教授的團隊使用於合成分子結的基本單位(building block)是一條分子鏈,他們利用金屬離子吸引分子鏈中帶有孤對電子的氮,把分子鏈都吸引在一起,再啟動第二步反應連結四條分子鏈,最後移除所有的離子,便完成分子結的合成(如下圖)。

改自David Leigh 實驗室網站的實驗示意圖。
改自David Leigh 實驗室網站的實驗示意圖。

事實上,雷伊教授的團隊在 2012 年時,便以完全相同的方法合成出五個交錯的星狀分子結(發表於《自然》(Nature)期刊,相關介紹點此)。與此篇文獻不同之處在於,他們稍微修改分子鏈末端的結構以及反應物的比例,產物即變成 819 分子結。

  • 819 分子結的 X 光晶體結構圖,有八個交錯處,總共有 192 個原子,包含四個亞鐵離子(Fe2+,紫色)、位於正中心的氯離子(Cl,綠色)以及形成分子主要骨架的碳(銀灰色)、氧(紅色)、氮(藍色)。結構中淺藍色長鏈狀分子為形成一個分子結的基礎單位,科學家利用自組裝(self-assembly)的方式將四長鏈組成分子結的結構,再將長鏈分子末端互相接合,即完成合成反應。

分子結的未來

雷伊教授在接受 RearchGate 的訪問中提到:「下一步的研究方向是將分子打成結的技術套用到紡織技術上,例如去研究在一條分子長鏈打了個結後,是否會影響這條分子鏈的強度?」化學家也可以利用新的合成方法試著做出其他種分子結,並研究它們結構上的結弱,以及打結如何影響一條分子長鏈的性質。

就像當年由杜邦公司研發的 Kevlar 合成纖維,廣泛應用於許多以強韌性為重的物品,如軍用頭盔或防彈背心等;或是像極具發展潛力的強韌蜘蛛絲,科學家至今仍在研究是否能利用其強韌的特性,製作出更強的絲線,未來,或許有機會利用分子結的技術,開發出新式材料,製作出超柔韌聚合物絲線,使得紡織技術能有重大大進展。

 

原始研究:

參考資料:

※感謝臺灣大學化學研究所詹益慈老師實驗室程凱煜同學於原理部分提供的協助。

活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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軟硬兼施的記憶塑膠-形狀記憶高分子複合材料
創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2014/01/15 ・682字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

報導 / 簡韻真

告別舊時代的石膏,現在快速又方便的醫療固定材料,是一種熱塑型塑膠,能快速成形,而且穿脫方便。熱塑型塑膠再進化,塑膠工業技術發展中心開發出形狀記憶高分子複合材料。

目前的熱塑型塑膠無法重複加熱,想要再加熱修改,只會讓材料像是黏土加水一樣越捏越爛,只得換一組新的。塑膠中心的研發團隊開發出一種形狀記憶高分子複合材料,不但和現有的熱塑型塑膠一樣,加熱後形塑出你想要的外表,再冷卻固定;更方便的是,你還可以將材料再加熱,使材料回復成原本的形狀。

形狀記憶高分子塑膠材料由兩種在同溫度下變形程度不同原料組成,在高過某個特定溫度Tg時,部分高分子結晶熔解,就能彎曲;冷卻後又回到穩定的結晶狀態,變得堅硬固定。再度加熱,結晶又熔解失去固定力,另一種高分子纖維就伸展使整體回復原本的形狀。只要調整配方比例,就能改變材料變形的臨界溫度,從兩百多度高溫到接近體溫的四十幾度都能辦到。

這種新穎的高分子塑膠材料,具有類似記憶金屬的延展性與堅硬,卻又更輕巧、更具可塑性,成本也較低,很適合應用在客製化的醫療輔具上。因為這些醫療輔具,都必須依據每個人的身體狀況量身打造,還要服貼。除了固定四肢,像是固定脊椎的背架、輪椅、矯正鞋墊,都是可以應用的市場。此外,這種材料也通過測試,無毒、不會使皮膚過敏。

塑膠中心可以根據廠商的需求,調配出硬度不同、變形臨界溫度不同的材料。而且可以用現有的塑膠機具製成,無需投資新的設備。期待未來有更多服貼的應用。

技術專頁:智能材料‧低溫改變塑膠記憶

更多創新技術歡迎瀏覽解密國家寶藏

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由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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非牛頓流體的火蟻群
小斑
・2013/12/24 ・606字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

科學家長期關心火蟻這種會螫傷人、使人中毒,令人頭痛的入侵外來種,多半是在討論如何防止有劇毒的火蟻擴散,或是探討為什麼火蟻的螫傷會這麼痛。

看起來似乎沒有物理學家的事。不過,喬治亞理工學院的物理學家Zhongyang Liu和David Hu,對於一大群火蟻可以視情況而表現得像流體或是固體的現象很有興趣,是第一次在生物體上看到這種群體行為的二象性。

在11月美國物理學會的一場會議上,他們展示了上面的影片中的火蟻。一團火蟻可以像是糖漿一樣從管子中流出來,或是像一顆球一樣被壓下去還會彈回來。他們使用物理實驗用的流變儀精確測量蟻群作為流體的黏度和作為固體在不同壓力下的彈性,也同時發現在不同的狀態下,螞蟻的行為模式不同。

蟻群若需要流動時,螞蟻會不斷移動,調整自己待在群體內,就像是很黏稠的液體。

當蟻群要保持形狀時,螞蟻就會緊緊地互相抱住,整個蟻群就會表現得像是橡膠一樣有彈性的固體。甚至形成「救生艇」躲避洪水

胡博士表示,這個研究結果可能可以應用於製造出自組裝機器人和可自我修補的材料,例如:用可以自動修補裂縫的材料建一座橋。畢竟螞蟻可是維持這種結構的箇中翹楚,當牠們互相搭在對方身上形成一座橋並通過時,牠們可是很快地補上結構上的任何缺口。

編譯自紐約時報 12月17日 Science Take

該研究研討會摘要

小斑
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PanSci實習編輯。 一顆在各個學科間漂流的腦袋~