奈米科技概論期中報告： 自然奈米結構的實際應用

1. 奈米科技概論期中報告：自然奈米結構的實際應用奈米科技概論期中報告：自然奈米結構的實際應用 奈微所 碩一 王信鈞 指導教授 李旺龍 老師

2. 盛開的蓮 駒井權之助 縱然深埋於潭中淤泥， 妳現身塵世獨立而不染何其美麗， 潔淨又祥和： 然而在你的純真之下， 你常背著我們在妳那生意盎然的葉上將朝露化作璀璨的寶石！

3. 細微的死角會藏污納垢?? 細微的死角會藏污納垢 ，這句 話或者這個概念可能是每個人都 曾有過的，但，所謂的細微的定 義是什麼，是指我們一般的牆角還有 小隙縫嗎 ？ 一旦這個細微的死角到達幾微 米甚至幾奈米的大小時，真的還會藏污納垢 嗎？這是個值得我們深思的問題！

4. 蓮花出淤泥而不染 • 水珠輕盈掠過蓮葉表面，會有如一滴滴水銀般不會散開，而且近乎完美的球形 • 灰塵對水的親和力似乎較對於蓮葉要來的大，因此只要一下起雨蓮葉上的灰塵便可不費催灰之力的全部沖刷掉

5. 蓮花的象徵：純潔 • 佛教中的六字大明咒“唵嘛呢叭咪吽”以白話來說就是“瞧！蓮花中的寶珠” • 三大部經書之一的“法華經”其中的華指的也正是蓮花

6. 初窺蓮花表面的構造 • 蓮花效應的發現者：巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）教授，任教於德國波昂大學“尼斯植物之生物多樣性研究所（Nees Institute Biodiversity Plants）”，他身兼二職，一是學 　術界的植物學家， 　另一個則是掌握專 　利的產業界發明家 巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）教授

7. 初窺蓮花表面的構造 • 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope）的問世啟發了許多科學家，並且把細微構造的奇妙世界呈現在人們的眼前 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope）

8. 初窺蓮花表面的構造 • 植物的表面最外層並不是活細胞而是由無生命的外殼（角質層）所構成，而其外面更覆蓋了許多含有多種成分的蠟質層，蠟質層常以特定的形狀堆積在表面 1.左上圖為蘇利南巴本木的葉片上星狀絨毛構造 2.右上圖為一種鼠李科植物，其葉片上有種環繞 氣孔四周生長的煙囪狀蠟質構造 3.左下圖為一種樟科植物，蠟值得晶體狀似通心粉 4.右下圖為捕蠅石竹種子外皮相互嵌合的細胞

9. 究竟如何出淤泥而不染呢? • 經由SEM的協助下，巴斯洛特發現了一件非常重要的事情，”最潔淨的表面往往在顯微鏡下是最粗糙地” 電子顯微鏡下，蓮葉的表面(上圖) 其凸起物外圍所包裹的臘層(下圖)

10. 究竟如何出淤泥而不染呢? • 可潤濕性與不可潤濕性（超親水性與超疏水性） 幾種表面與水的接觸角：圖a的親水性表面小於30°；圖b的防水表面(疏水性)大於90 °；圖c具有蓮花效應的表面(超疏水性)大於150 ° 水珠與超疏水表面的接觸角

11. 究竟如何出淤泥而不染呢? • 蓮花效應原理(微觀)= 乩童坐釘椅的道理(巨觀)

12. 究竟如何出淤泥而不染呢? 電子顯微鏡下水珠與蓮葉表面的接觸情形 蓮葉上的小水珠

13. 蓮花效應(Lotus effect) a b 圖a：在普通的表面上，塵埃與表面的親和力較與水來的強，因此經雨水沖刷後，塵埃依舊會留在表面；圖b：在具有蓮花效應的表面上，塵埃等於“坐”在微小顆粒的頂端，很容易被雨水帶走

14. 蓮花效應(Lotus effect) 在垂直的表面上也有一樣的性質

15. 蓮花效應(Lotus effect) 水滴在蓮葉上移動時，大致上會以一顆顆的狀態滾動，而且其流過蓮葉的部分，表面會呈現潔淨與乾燥

16. 蓮花效應(Lotus effect) 此為在蓮葉上滾動過後的水珠放大後的模樣，上面吸附滿了灰塵，然而這種特性可以用來做什麼呢??

17. 蓮花效應初出江湖 • 不是活的生物只要擁有一樣的結構就可以有一樣的效果 • 巴斯洛特為了說服大家蓮花效應可以實際的應用在科技產品中 ，於是他以蓮花效應做出了一把蜂蜜匙 以蓮花效應製成的蜂蜜匙，即使是黏稠如蜂蜜般的液體，一樣可以在倒出時流的一滴不剩

18. 蓮花效應初出江湖 矽酮（Silicone） • 蓮花效應可搭配的材質不計其數，初期使用的全都是矽酮（Silicone）這是當今最常使用的防水劑，雖然有效但價格頗高 • 一群土耳其研究人員發現可用聚丙烯（polypropylene，餐具的製造原料之一）製作蓮花效應的塗層 以矽銅製成的梳子

19. 蓮花效應初出江湖 • 聚丙烯的優點在於它幾乎可塗在所有材質的表面，包括玻璃、鋁、鋼鐵、鐵氟龍以及聚丙烯本身，唯一的限制就是表面有圖布的材料絕對不可受到溶劑的侵蝕 以聚丙烯製成的各項產品：液體槽、膠帶架、塑膠管

20. 永保鮮豔與潔淨的超強塗料 • 蓮花效應是近年來最高度發展的仿生科技(僅次於魔鬼氈) 水滴流經由蓮花效應所改良的塗料的表面

21. 永保鮮豔與潔淨的超強塗料 • Ispo公司與巴斯洛特所共同發展的的“蓮花王(Lotusan)”塗料 • Ispo並宣稱使用蓮花王塗料的建築物，可以五年不用清洗，且常保潔淨 蓮花王塗料 塗上”蓮花王”塗料後的建築物

22. 蓮花效應的反向操作：自潔玻璃 • 英國的皮爾金頓(Pilkington)公司所開發的自潔玻璃:：PilkingtonActiv TM • 其運用的原理是和蓮花效應完全相反的“反蓮花效應”但兩者所達到的目的卻是相同的 位於英國北部默西賽德郡(Merseyside)的聖海倫斯市(St. Helens)的皮爾金頓(Pilkington)公司

23. 反蓮花效應 • 不同於蓮花效應，反蓮 花效應運用特殊的表面， 使得水滴與表面的接觸角 變得更小，並提高表面的 可潤濕性，使得水在反蓮 花效應的表面上會形成一面水膜，再藉由 Activ玻璃表面的特性達到自潔的效果 裝設反蓮花效應之Activ玻璃的建築物

24. 玻璃的演化史 • 傳統的玻璃：由良莠不齊的熔爐所製成，產量少且形狀不規則 • 現在化的浮式平板玻璃工廠：將砂、蘇打灰（soda ash及碳酸鈉）、石灰石、白雲石、硫酸鈉與回收玻璃（即碎玻璃）由一端送入攝氏1600℃的煤氣爐，另一端就會綿延不絕的送出帶狀的玻璃浮在熔融的錫床表面接著再裁切成一片片的玻璃板→

25. 玻璃的演化史 　熔融的錫床表面提供了完美的平整度，機台也可以任意的調整，以便於生產20mm以內任何厚度的玻璃→毛胚玻璃 • 皮爾金頓(Pilkington)公司改良的玻璃：在製造玻璃的同時，一面讓蒸發的物質沉澱在玻璃上形成薄膜，這些薄膜替玻璃增添了額外的特性，就像市面上的“Pilkingdon KTM”隔熱玻璃，Activ玻璃也正是以這種製程製造的

26. 自潔玻璃：Activ • 二氧化鈦（TiO2）：最常用於白色光漆的白色色素，具有非比尋常的光電特性，也因此常用來做為女性防曬的化妝保養品 二氧化鈦的粉末 含有二氧化鈦成分的粉餅與防曬乳

27. 自潔玻璃：Activ • 二氧化鈦＋陽光→充電效應 • 充電的表面＋空氣＋水氣→能使有機物質氧化成離子 • 上述稱為“光催化作用” • 二氧化鈦塗料可以分解大部分堆積其上的有機物

28. 自潔玻璃：Activ • 二氧化鈦塗料具有強烈的親水性，使得水在二氧化鈦表面會形成一層水膜，而不是一滴滴的水珠 • 當表面呈垂直或者某個角度時水即迅速滑落，同時帶走之前被分解掉的有機物質，以達到自潔的效果

29. 自潔玻璃：Activ • 前面所提到的，皮爾金頓(Pilkington)公司所改良製造玻璃的技術，能夠在玻璃的表面上鋪上一層薄膜，而這層薄膜正是二氧化鈦 • 由於二氧化鈦始終是白色的塗料，如此一來無法使玻璃達到真正的透明 • 皮爾金頓(Pilkington)公司厲害之處就在於他們能將這層薄膜做成厚度小於20nm的超薄塗層，這項改良使得Activ玻璃放在一般的玻璃旁，頂多就是看起來比較容易反光，而且稍微偏藍色

30. 自潔玻璃：Activ • 但對於所有目的與用途而言，他與普通的玻璃沒有兩樣，但又多了自潔的特殊功效

31. 真實體驗Activ玻璃 • Activ玻璃相較於一般的玻璃較為閃亮 • 下雨時Activ玻璃上會形成一片水膜，而一般的玻璃會形成大顆的水珠 • 如果Activ玻璃不是呈垂直時，落葉或者碎屑一樣會存在時玻璃上，但只需要用清水沖洗就可達到清潔的效果，汙垢並不會真的附著在玻璃上 • 實際上如果有油漆這類的汙漬Activ玻璃仍無法完全應付，只是較一般的玻璃沒那麼容易附著在上面而已

32. 真實體驗Activ玻璃 Activ玻璃與一般玻璃之比較

33. Activ玻璃的其他應用 • Activ玻璃除了對於附著在其上的污垢有著一定的功效外，對於空氣中的灰塵與廚房的油垢也可達到清潔的效果，所以將其擺在廚房或者辦公大樓內也可收到清潔的目的 • 另外Activ玻璃也可有效的將臭氧轉換成氧氣（臭氧在平地時是屬於汙染氣體）是另類的空氣濾清器可將其運用在管線或者空調系統中

34. 蓮花效應與反蓮花效應之比較 蓮花效應 反蓮花效應 增加塵土與水的親和力 超級可濕 在此處二氧化鈦的功用就和一般的清潔劑是一樣的 • 降低塵土對表面的親和力 • 超級不可濕 • 蓮花效應初期多使用矽酮(silicone)現在多使用聚丙烯(popypropylene) ，但其缺點為塗層不能受到溶劑的侵蝕

35. 蓮花效應與反蓮花效應之比較 • 從以上的簡介中可知，要達到自潔的目的可以有兩條極端的路，一是超級可濕，而另一項則是超級不可濕，而我們生活中大多數的東西都是存在於這兩者中間的灰色地帶，常常我們有所謂新科技的發現，都是因為我們超越了某項極端的事物，像是紅外光、紫外光、奈米科技等……

36. 為何無法用二氧化鈦來製作自潔塗料？ • 過去人們就經常使用二氧化鈦當作白色的塗料，但由於二氧化鈦的特性，一旦受到陽光（紫外線）照射時，就會自動分解掉其所接觸到的有機物，正巧我們所使用的油漆就是所謂的有機物，所以二氧化鈦便成了掉漆的元凶，不過現在人們已經有了解決的方法，那就是在二氧化鈦的表面再塗上一層二氧化矽，以封鎖住二氧化鈦的光催化能力，但如此一來二氧化鈦就只能是白色的塗料，而無法具有自潔的效果了！

37. 弄不髒的布料：奈米自潔纖維 • 由美國企業家索恩(David Soane)所開發的一種名為“奈米呵護(Nano-Care)”的自潔纖維，由他的“奈米紡織(Nanotex)”公司銷售 • 在美國採用”奈米呵護”纖維的防汙牛仔褲與卡其褲自2001年 由Lee所推出的防汙牛仔褲

38. 弄不髒的布料：奈米自潔纖維 　起可在Gap、Eddie 、Bauer與Lee等服飾店內找到 • 防汙襯衫也在防汙牛仔褲推出不久就問世了！ • 這種纖維於2001年9月搭配Rocola Shirt Tec在英國初次亮相 由Van Heusen的子公司Rocola Shirt Tec所推出的防汙襯衫

39. 弄不髒的布料：奈米自潔纖維 • 在此之後，號稱不怕髒 的衣料如雨後春筍一般冒 出，但倫敦《標準晚報 (Standard Evening)》 做了一番測試，將啤酒、 咖啡還有顏色特深的紅酒灑上了防汙襯衫， 雖非一滴都不沾，但幾乎可以接近無汙，如 此防汙襯衫通過了考驗

40. 弄不髒的布料：奈米自潔纖維 • “奈米呵護”所運用的原理不是蓮葉，而是取材於桃子 • 桃子的表面有柔軟的絨毛，其功用類似蓮葉的凸起表面，絨毛之間抓住了空氣，使水“坐”絨毛頂端 • 但這僅是非常類似而已，若將一個桃子放在水龍頭下沖洗，剛開始水珠會直接滑落，但一小段時間後，整顆桃子就會濕潤

41. 弄不髒的布料：奈米自潔纖維 • ”奈米呵護”的細絲是用較硬的材質所製成的，但其毛絲非常細微，高度還不及蓮花表面凸起物的千分之一 • 在此情況下毛絲上所沾黏的棉絮就有如樹幹一樣大，如此一來就很容易的可以清洗掉 • 毛絲是以化學鍵附著於衣服的纖維上，不會被洗掉

42. 弄不髒的布料：奈米自潔纖維 • 由於他們十分的細小，所以在衣服的觸感上並不會有什麼明顯的不同 桃子與附著在其表面上的水珠

43. 如果蓮花效應與自潔玻璃合而為一…… • 蓮花效應所面對到的問題：蓮花效應的表面，一旦有較細小的汙垢卡在它的表面，如果沒有把它去除，那這個表面就不會再具有超疏水性 • 蓮葉之所以可以自我修復，其原因在於表面的蠟晶體會自己長回來 • 二氧化鈦的妙處就在於具有自我修復的功能，雖然過程中陽光、空氣、水缺一不可、不過這倒不是大問題

44. 如果蓮花效應與自潔玻璃合而為一…… • 蓮花效應為超防水，而二氧化鈦為超吸水，如何能結合在一起?? • 目前已有實驗證實，極少量的二氧化鈦不但能有效的分解蓮花效應塗層上的有機沉澱物，又不會降低塗層的防水性

45. 大自然早已將兩者合而為一 • 南非納米比亞沙漠中的納米比亞擬步甲蟲(Namibian Darkling Beetle) • 其身長約兩公分，背部多疣，具有許多直徑約0.5mm的凸起 • 在顯微鏡下這些凸起之間的區域同樣也是凹凸不平，不過一旦小到奈米尺度，大的凸起尖端為吸水性，其餘部分則為防水的蠟質表面

46. 大自然早已將兩者合而為一 • 凸起的尖端可從濕氣中吸取收集到的極微小的水滴，不斷的集結 • 水滴到達一定的大小(約0.5mm)就會開始在蠟質層滾動而藉由身體的姿勢使得水滴直接滾進甲蟲的口器中 • 這種甲蟲會在風中擺出奇怪的集水姿勢，接著再把頭放低，斜著背讓水滑下 納米比亞擬步甲蟲(Namibian Darkling Beetle)

47. 模仿沙漠甲蟲的集水系統 • 英國牛津大學動物學家帕克(Andrew Parker)與QinetiQ公司所共同研發，並於2004年取得專利 • 模仿甲蟲但精簡成交錯排列的吸水區與防水區，以後者為底 • 模擬甲蟲低頭集水的姿勢，將集水板設定了一個特定的角度，使收集到的水能夠輕易的滑進水槽 • 水滴的大小由吸水區的寬度來控制，越大滴的水，越不容易受風的影響而逆流

48. 結論與啟發 • 這個世上幾乎大部分的東西都不是處於極端，而是處於灰色地帶，倘若到達極端的狀態時，就可能會有特別的現象產生，往後的研究不妨可以往這個方向試試看。 • 如果可以把蓮花效應或者反蓮花效應應用在人類的假牙與防水的化妝品防曬油上或許會有不錯的效果。

49. 結論與啟發 • 甲蟲的集水機構，仔細的觀察後我們才發現原來它的原理是如此的簡單，而我們卻直到科技發展至今才能夠明瞭其個中道理，並且去學習與應用它，我想這個世界上一定還有著許多造物者的智慧等待著我們去發掘，在埋首做研究之際，不訪可以撥空多觀察我們的生活周遭，或許會有許多意想不到的發現。

50. THANKS FOR YOUR ATTENTION