國立清華大學 材料科學工程系 陳柏宇 助理教授 · 2014-12-25 · professor po-yu...
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師法自然：更輕、更強、更韌的仿生材料
國立清華大學 材料科學工程系 陳柏宇 助理教授
Professor Po-Yu Chen
Biological & Bio-inspired Materials Laboratory
陳柏宇 助理教授 清華大學材料科學工程系 加州大學聖地牙哥分校 材料科學工程 博士 [email protected]
研究專長 - 仿生材料 - 生醫材料 - 生物影像及奈微米結構分析 - 生物力學與機械性質量測 - 綠色及能源材料
Structural Biological (Natural) Materials
Mollusk Shells
Teeth & Tusks
Natural Armors
Avian Materials
Tough inorganic/organic multilayer composites
inspired from the design of abalone nacre
Bio-inspired Composite Synthesis
Biological Adhesives & Surfaces
Bone & Mineralized Tissues/ Biomedical Materials
Untreated Demineralized Deproteinized
3D Micro-CT Images of Trabecular Bone
Collagen Fibrils Bone Minerals Bone and Mineral-related Diseases
材料 無所不在，無所不包 觸目所及，都是形形色色的材料
Wisdom and Compassion J.G. Duh
材料科技 人類文明的衍進
材料開發 日常生活 食衣住行育樂
過去 (past)
自然的材料 (Natural Materials) 垂手可得，簡單的加工
從歷史的角度看材料：使用種類的演進
石器時代
陶器時代
銅器時代
鐵器時代
從哲學的觀點看材料科技的萌芽與發展
§ 探索物質的起源 §
中國：金木水火土 （五行學說）
西方（希臘）：四元素說
中世紀煉金術：實驗科學的啟蒙
二十世紀
〈工業革命〉
蒸氣機的發明
大量機件的製造 Wisdom and Compassion J.G. Duh 4
現在 (Present)
以物理、化學、機械與其它方式合成各式各樣的材料 - 多元性材料 - 多功能材料 - 複合材料
各種材料的分類 - 依性質 - 依製程方式 - 依功能性 - 依應用領域
亦有人稱二十世紀為 <矽時代> (Si Age)
<資訊科技> <奈米科技>
<生物科技>
二十一世紀與未來
Wisdom and Compassion J.G. Duh 5
未來(Perspective) • 結合資訊、通訊、奈米、環保、能源、與生醫等的智慧性材料
– Multiple-functional materials – Integrated material – Small – Smart
• 小而美、兼具智慧型、多功能
發展的極致？
• Bio-inspired material <Learning from Nature> 得自大自然的智慧
回歸自然
人法地、地法天、天法道、道法自然
萬法歸宗
運用之妙，存乎一心
Wisdom and Compassion J.G. Duh 6
仿生學：
藉由觀察、模擬自然界中各式不同生物與生俱來之獨特性質，包括其結構、功能或外顯行為等，甚至於體內引發之物理及化學過程，提供有別於傳統材料的設計途徑和系統架構的科學。
Wisdom and Compassion J.G. Duh
生物材料之特性
常溫、常壓、含水的環境中自體組成
多階層結構(分子、奈米、微米、巨觀尺度)
多功能性
自我修復、環境適應之能力
由自然界蘊藏豐富的基礎元素組成
礦物質
碳酸鈣 (CaCO3)
氫氧基磷灰石 (Ca10(PO4)6(OH)2)
二氧化矽 (SiO2)
磁鐵礦 (Fe3O4)
蛋白質
膠原蛋白、角質蛋白、彈性蛋白
多醣類
纖維素、幾丁質
生物材料: 強度與韌性兼具的複合材料
U.G.K Wegst and M.F. Ashby, Phil. Mag., 84, 2167-2181 (2004).
骨骼
鹿角
貝殼
牙齒(琺瑯質)
牙齒(象牙質)
氫氧基磷灰石
碳酸鈣
角質蛋白 膠原蛋白
彈性模數 Elastic Mdulus, E (GPa)
韌性
To
ug
hn
ess
, J
c (
kJ/m
2)
蛋白質: 軟而韌
礦物質: 硬而脆
生物材料:
蛋白質與礦物質
組成之複合材料
強度與韌性兼具
極佳之機械性質
重量輕且密度低
刊登於 Science (February 15, 2013)
Vol. 339, pp. 773-779 (invited review)
結構性生物材料－材料與機械性質之重要關聯性
國科會工程處材料工程學門
新進人員研究計畫
(NSC-100-2218-E-007-016-MY3)
優秀年輕學者計畫
(NSC-101-2628-E-007-017-MY3)
矽藻 (Diatoms)：
複雜而精緻的多孔材料
11
Richard Gordon et al., Trends in Biotechnology, 2009, 27, 116-127.
Christopher S. Gaddis et al., J. Mater. Res., 2004, 9, 2541-2545.
蜘蛛絲的奧秘
J.M. Gosline, P.A. Guerette, C.S. Ortlepp, K.N. Savage, J Exp Biol 202, 3295-3303 (1999).
Spiderman 兼具輕量、強度、彈性、韌性、延展性、生物可分解性等特性
由結晶與非晶之蛋白質組成
結晶的牽引絲：堅韌、強度高、維持蜘蛛網結構並支持蜘蛛本身重量
非晶的網狀絲：具延展性、能有效吸收昆蟲撞擊的動能
應用：防彈背心、複合材料、生醫材料等
海綿的矽質纖維： 不會碎的天然玻璃
Aizenberg J et al., Science 2005;309:275–8.
Meyers et al., Science 2013;319: 773-9.
海綿的針狀骨由二氧化矽與少量的蛋白質所組成
洋蔥狀的多層微觀結構
有效阻擋裂縫擴大
韌性極佳、不易斷裂
應用：強化玻璃、光學材料、纖維複合材料、仿生建築等
海綿的矽質纖維:天然的光纖
Aizenberg et al., PNAS March 9, 2004 vol. 101 no. 10 3363
Sundar et al., NATURE|VOL 424 | 21 AUGUST 2003
鮑魚殼珍珠層：強韌的天然陶瓷材料
5µm
Organic layer
Red abalone
Haliotis rufescens
Meyers MA, Lin AYM, Chen PY, Muyco J. J Mech Behav Biomed Mater 2008;1:76-85.
Chen PY et al. J Mech Behav Biomed Mater 2008;1:208-226
鮑魚殼內的珍珠層(nacre)碳酸鈣與有機層(幾丁質與蛋白質)
交錯堆疊而成，組成類似磚瓦水泥的高度規則化多層膜結構，
礦物質貢獻強度，有機層提供韌性，造就強韌的複合材料 。
生物礦化：鮑魚殼的成長過程
Implantation Experiment Sequential
Growth:
Growth Conditions:
Temperature
Food Availability
Growth Mechanisms:
Ca2+ ion selective
electrode
Acta Biomaterialia, 2008;4:131-138.
釐米尺度: 裂縫折彎
微米尺度: 交錯的界面
奈米尺度:
有機層膠連
粗糙表面–摩擦力
奈米鍵結
Combination
有機/無機層之奈微米結構在提升韌性扮演了關鍵的角色 Meyers MA, Chen PY, Lin AYM, Seki Y, Prog. Mater. Sci. 2008;53:1-206.
Chen PY et al. J Mech Behav Biomed Mater 2008;1:208-226
塑性變形 t
鮑魚殼珍珠層之韌化機制
鳳螺的多階層層狀結構
Florence, Italy
Tessellated Tiles in Brunelleschi’s Doumo
similar to the 2nd & 3rd
order lamella in conch
Crack tortuosity
Deformation localization
鳳螺多層結構之韌化機制
實現飛行之夢想…
達文西的設計手稿
http://www.digitash.com/2012/02/fascinating-super-fast-airplanes.html http://www.airbus.com
萊特兄弟研製的飛行者一號
20
輕而強的複合材料:向巨嘴鳥學習
巨嘴鳥的喙佔身長的1/3， 重量卻小於體重之1/20
完全中空之中央部分
角質外殼包覆多孔材料
封閉式腔室(Closed cell)： 3-D骨架 + 有機薄膜
兼具輕量化及機械強度
可應用於航太材料、汽車工業、建築、輕量複合材料之開發
角質層外殼
封閉式腔室
FEM Simulation of Beak Shell under Compression
a. FEM model of shell b. On set of folding
c. Buckled shell d. Completely collapsed shell
FEM Simulation of Beak Foam under Compression
(a) Undeformed foam (b) Deformed foam
Synergetic Effect of Sandwich Structure
+
Shell + Foam
Foam filled shell
Foam filled shell
Shell+foam
Strain
0
5
10
15
20
25
30
35
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Str
ess
(M
Pa
)
Synergetic effect
鳥類骨骼之輕量化設計
鳥骨 狗骨
(a)
(b)
“別有洞天”的羽毛
鳥類羽毛中規則排列的孔洞結構由3-D奈米纖維所組成，洞中有洞，大幅減輕其重量並兼具機械強度
抗彎折、超輕複合材料(植物、豪豬尖刺)
SCIENCE VOL 339 15 FEBRUARY 2013
http://www.airbus.com
新型飛機之仿生設計
THE LOTUS EFFECT
MOVEABLE WING SURFACES
EAGLE INSPIRED WINGLETS
THE SILENT FLIGHT OF THE OWL
THE USE OF BIONICS
‘GROOVY’ SHARK SKIN
FORMATION FLYING
BUTTERFLY WINGS
28
烏賊骨板: 輕而強韌的多孔複合材料
About 9% of cuttlefish body weight
Dorsal shield a) Hard and dense
b) Rigid armor for
protection
c) 30%~45% organic &
55%~70% inorganic
constituents
Birchall JD, Thomas NL, On the architecture and function of cuttlefish bone, J. Mater. Sci. 1983;18:2081-2086.
Kingdom :Animalia
Phylum :Mollusca
Class :Cephalopoda
Order : Sepiida
1
多功能性 -- 調控浮力
Dorsal shield
Buoyancy control is
achieved by adjusting
the ratio of fluid and
gas in the cuttlebone.
-- 防禦 Cuttlefish would suffer
from attacks by undersea
animals such as dolphins.
Good mechanical strength
of cuttlebone is important.
Shallower region
Deeper region
2
Ref. Denton et al.(1961), the boyancy of the cuttlefish Sepia officinalis, J. Mar. Biol. Ass. U.K.
-- 承受水壓 Cuttlebone must strong enough to resist implosion from hydrostatic pressure,
which increases with depth.
烏賊骨板的多階層結構
1 cm
Pillar
Septum
Twisted plywood structure
Thin sheets
Organic film
Mineral
3
Septum
Pillar
Septum
Thin sheets
5
Micro-CT scanning
( scan from
front to back)
Schematic
diagram
Strain = 5% Strain = 20% Strain = 40%
Progressive
deformation
33
有限的元素(輕元素為主)：
C, O, N, H, P, S Ca, Si, Mg, K
廣泛運用各種元素:
Fe, Cr, Ni, Al, Ti, Cu, Pt, Ag, Au
生長
常溫常壓下於生物體內自體組成
製造
利用物理或化學方法合成
常需在高溫高壓及催化物作用下進行
生物(天然)材料 人工合成材料
不同之方法、策略
複雜的多階層結構
(分子、奈米、微米至巨觀尺度)
材料科學與工程：設計特定之結構
多功能性 材料選擇：選擇具特定功能之材料
適應環境之能力
因應外界環境生長出不同的結構及功能
自我修復之能力
修補、恢復、再生
P. Fratzl, J.R. Soc. Interface, 4[15] 637-642 (2007).
安全係數、定期更換
無自我修復之能力
釐米尺度: 裂縫折彎
微米尺度: 交錯的界面
奈米尺度:
有機層膠連
粗糙表面–摩擦力
奈米鍵結
Combination
有機/無機層之奈微米結構在提升韌性扮演了關鍵的角色 Meyers MA, Chen PY, Lin AYM, Seki Y, Prog. Mater. Sci. 2008;53:1-206.
Chen PY et al. J Mech Behav Biomed Mater 2008;1:208-226
塑性變形 t
鮑魚殼珍珠層之韌化機制
仿生有機/無機多層膜複合材料之開發
利用反應式磁控濺鍍鍍製無機的氮化物、氧化物；以脈衝雷射蒸鍍系統鍍覆有機的高分子材料
成功開發出仿鮑魚殼之有機/無機多層膜複合材料
此系統可鍍覆各種有機/無機材料，並調控其比例、厚度、表面粗糙度等性質
提升韌性及機械性質
應用：表面改質、硬膜、光學薄膜、多功能鍍膜、生醫材料、能源材料等
國科會研究計畫(NSC-100-2218-E-007-016-MY3)
仿生有機/無機多層膜複合材料之開發與特性分析
以冷凍鑄造法(Freeze Casting)合成仿生複合材料
陶瓷粉體水溶液在液態氮中冷卻，形成薄片狀冰晶
層狀陶瓷燒結成型後充填高分子，層狀陶瓷/高分子複合材料
熱壓處理→ 磚塊狀複合材料
有效提升韌性及強度
Synthetic Al2O3/PMMA composite
lamellar Brick & Mortar
E. Munch et al., Science, 322, 1516-1522 (2008,
S. Deville et al., Science, 311, 515-518 (2006).
國科會研究計畫(NSC-100-2218-E-007-016-MY3)
仿生有機/無機多層膜複合材料之開發與特性分析
Al2O3/PMMA 仿生複合材料優異的機械性質
E. Munch, et al., Science, 322, 1516-1522 (2008),
S. Deville,et al., Science, 311, 515-518 (2006).
生物材料 仿生材料
生物相容性 環境友善性
機械性質: 強度、韌性、彈性延展性、輕量化
光學性質: 透光性、抗UV、顏色、擬態、 光子晶體 表面性質:
親疏水性、表面吸附、抗沾黏、
低阻抗
高效率 低耗能
自我修復 再生能力
生醫材料
組織工程
再生醫學
生物感測器
綠色材料
環保材料
仿生綠建築
太陽能電池
再生能源
節能省電系統
高效率傳輸
結構性色彩、光通訊
光電元件、顯示器
隱形、擬態材料
表面改質、表面科學
超疏水性、自潔表面
可重複吸附之表面
水中吸附
抗菌表面
低阻抗表面
紡織、功能性布料
航太、汽車工業
新型複合材料
抗震結構設計
強化玻璃、陶瓷
運動用品
智慧型材料
多功能材料 仿生機器人
奈微米機電系統
仿生材料之未來展望與應用
師法自然
─人法地，地法天，天法道，道法自然
Wisdom and Compassion J.G. Duh
Ongoing Research…
Zebra shark teeth
Alligator osteoderms
Insect-eating
plants
Cuttlefish bone
(with Prof. Chiao)
Underwater/wet adhesives