莲花叶表面的抗污和抗水性,使科学家们发明防水底片、耐脏污的器具表面。而壁虎四肢巨大黏附力,有助于科技人研发具有重复使用功能的接合技术与材料。运用奈米磨润科技,研发新世代环保产物,将可提升生活质量。
在早期,我们买新车时原厂业务员大都会再三地提醒车主,新车都需要经过一段所谓”驯车期”,也就是引擎磨合期。引擎磨合期约是新车里程数的前1000至2000公里,这段驯车期就是为了保证引擎中数以百计的转动及滑动组件能充分地相互接触、摩擦及适应。汽车引擎磨合期就如同剧烈运动前的暖身运动,不能太过于激烈,必须循序渐进,提升引擎机件适应环境的能力,达到它应有的性能水平。而引擎磨合的优劣,会对其寿期、安全性及耗油性的良窳产生重大的影响,因此新车车主在驯车期无不战战兢兢地进行引擎的磨合程序,不敢大脚踩油门,且依照原厂的指示定时更换专用机油,对刚刚拥有新车的车主来说可算是一种折磨。
●磨润机制让新车缩短引擎磨合期
但是近年来,我们在购车时,车商不再像以往那么强调驯车期的重要性,顶多只是提醒不要有太过激烈的操控动作,就可以使新引擎能够达到该有的水平及寿命,并不需其它繁复的引擎磨合程序,这都是由于引擎科技进步及磨润科技快速发展所带来的便利。
磨润,这个陌生的名词,乍看之下似乎与我们一般人没有交集,其实磨润的现象,不断地在我们日常生活的周遭重复的上演着。考古学家发现40万年前远古时代的中国及爪哇就有了应用摩擦力制造石器工具的证据,5000年前的古埃及人也已经知道润滑雪橇式板车的底部以利搬运石块建造金字塔。而在现代,引擎之所以能保持不断地运转,主要归功于磨润机制的效益。
●磨润学始自文艺复兴时期的达文西
近代的磨润学始自500年前文艺复兴时期的达文西(leonardo dav inci)对两块平板作相对运动所产生之摩擦力现象的研究,随后法国物理学家阿蒙顿(guillaume amonton)于17世纪提出了amonton’s law,法国物理学家库仑(charles augustinde coulomb)于18世纪提出的库仑摩擦定律,均为今日古典力学中有关摩擦现象的启蒙基础。这些摩擦定律和20世纪初德国学者史崔拜克(richard stribeck)与雷诺(osborne reynolds)对润滑现象的实验及理论推导,和50年代包登(frank philip bowden)与塔伯(david tabor)在剑桥大学提出的表面附着理论及磨耗观念构成今日磨润学基础。
自从70年代能源危机发生,及80年代环保意识高涨,磨润现象的研究和应用愈来愈受重视,但仍存有若干瓶颈无法突破。随着科技的突飞猛进,精密制程已达到镜面精度的程度,轻薄短小也成为各类科技产品的特色,这些因素驱动了磨润学的研究往微观方向发展的趋势。尤其近年来,更由于奈米科技的蓬勃发展,物理学家对于古典力学中的amonton’s law及库仑摩擦定律有了更深入的诠释及周全的认识,让奈米磨润在科技上的应用更加得心应手,不仅可以改善齿轮及轴承的磨润性能,精进引擎科技,更可以应用于其它新兴科技领域。
●中正大学奈米力学创意计算法
创造台湾地区产业竞争利基
近几年来,台湾地区学产界在奈米科技的研究日益精进,开发了奈米力学的创意计算法,引起国际上的注意,也因此得到了美国研发单位的研究赞助。此计算法的用途广泛,在奈米材料的机械性质及磨润性能的探讨上,更是一项利器。奈米磨润研究室在奈米管的力学研究成果也获刊登在国际学术期刊nanot echnology的封面上。这些深耕学术基础的研发成果,也逐步应用在奈米线宽晶圆制程及长行程的奈米定位平台等高附加价值的技术上,具有创造台湾产业之竞争利基的潜力。
在自然界,许多生物都是善用表面接触原理的高手,例如莲花效应(lotus effect),在莲花叶表面存在许多突起的小颗粒结构,让莲花叶表面有绝佳的抗污性和抗水性,此即为莲花效应的成因。科学家们利用此原理发明了许多科技产品,包括防水底片、防水喷雾剂、耐脏污的器具表面等。再以动物来看,壁虎的四肢具有惊人的黏附力( adhesion),根据研究,一只50公克壁虎的吸附力可以吊起约130公斤重物,其成因来自脚上具有层层分级的结构,在其脚趾布满许多细微如棘毛(seta)的组织,而在每一根棘毛更有数百个分支,每个分支的前端拥有一宛如刮刀的细微结构(spatula),其大小仅有200奈米,壁虎就是靠着这细微如分子大小之结构与接触表面之凡得瓦尔力(van der waals forces)产生黏附力,能在垂直壁面甚至天花板悠游活动,爬行自如。
●50公克壁虎的吸附力
可吊起130公斤重物
壁虎能在瞬间将其脚与接触面脱离,灵活矫健的身手及重复使用单位面积下的巨大黏附能力,让我们感到好奇及佩服。我们时常想在家中客厅挂一幅字画来增添生活气氛,但往往又不愿在精致装潢的壁面上钻孔安装挂钩,若选择市面上常见的黏贴挂钩,则又受限其荷重限制,当我们想改变吊挂位置或变换其它不同图幅字画时,不论是钉挂或是黏贴挂钩,都无法重复使用。未来如能运用壁虎的黏附特性,发展出具极佳黏附力并具重复使用功能的人造材料,将其应用于制造产业来取代传统的接合技术,如焊接、铆接等,或建筑产业上取代传统钻壁锁钉,避免破坏原结构特性,相信更能提升生活质量。
回顾文明发展的历史,人类常常为了追求科技文明的进步及日常生活的便利,有意或无意间破坏了自然环境,而渐渐地卷入大自然反扑的漩涡。随着科学的发展我们已能探索奈米世界中的事物,更具有能力来推动未来科技的进步,人类若要追求永续发展,除了运用奈米磨润科技,发展减小摩擦及损耗技术、节约能源外,更可师法自然,借镜大自然在千万年演化中取得的智慧,进而转变成人类可以应用的科技,仿效莲花、壁虎等生物各自独具的本能特性,研发新世代环保产物应用于日常生活中,为人类增添美好生活色彩的同时,不要再替地球村带来负担,身为21世纪的科技人,都应朝圆这美梦的方向努力。
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