蓮花葉表面的抗污和抗水性,使科學家們發明防水底片、耐臟污的器具表面。而壁虎四肢巨大黏附力,有助于科技人研發具有重復使用功能的接合技術與材料。運用奈米磨潤科技,研發新世代環保產物,將可提升生活質量。
在早期,我們買新車時原廠業務員大都會再三地提醒車主,新車都需要經過一段所謂”馴車期”,也就是引擎磨合期。引擎磨合期約是新車里程數的前1000至2000公里,這段馴車期就是為了保證引擎中數以百計的轉動及滑動組件能充分地相互接觸、摩擦及適應。汽車引擎磨合期就如同劇烈運動前的暖身運動,不能太過于激烈,必須循序漸進,提升引擎機件適應環境的能力,達到它應有的性能水平。而引擎磨合的優劣,會對其壽期、安全性及耗油性的良窳產生重大的影響,因此新車車主在馴車期無不戰戰兢兢地進行引擎的磨合程序,不敢大腳踩油門,且依照原廠的指示定時更換專用機油,對剛剛擁有新車的車主來說可算是一種折磨。
●磨潤機制讓新車縮短引擎磨合期
但是近年來,我們在購車時,車商不再像以往那么強調馴車期的重要性,頂多只是提醒不要有太過激烈的操控動作,就可以使新引擎能夠達到該有的水平及壽命,并不需其它繁復的引擎磨合程序,這都是由于引擎科技進步及磨潤科技快速發展所帶來的便利。
磨潤,這個陌生的名詞,乍看之下似乎與我們一般人沒有交集,其實磨潤的現象,不斷地在我們日常生活的周遭重復的上演著。考古學家發現40萬年前遠古時代的中國及爪哇就有了應用摩擦力制造石器工具的證據,5000年前的古埃及人也已經知道潤滑雪橇式板車的底部以利搬運石塊建造金字塔。而在現代,引擎之所以能保持不斷地運轉,主要歸功于磨潤機制的效益。
●磨潤學始自文藝復興時期的達文西
近代的磨潤學始自500年前文藝復興時期的達文西(leonardo dav inci)對兩塊平板作相對運動所產生之摩擦力現象的研究,隨后法國物理學家阿蒙頓(guillaume amonton)于17世紀提出了amonton’s law,法國物理學家庫侖(charles augustinde coulomb)于18世紀提出的庫侖摩擦定律,均為今日古典力學中有關摩擦現象的啟蒙基礎。這些摩擦定律和20世紀初德國學者史崔拜克(richard stribeck)與雷諾(osborne reynolds)對潤滑現象的實驗及理論推導,和50年代包登(frank philip bowden)與塔伯(david tabor)在劍橋大學提出的表面附著理論及磨耗觀念構成今日磨潤學基礎。
自從70年代能源危機發生,及80年代環保意識高漲,磨潤現象的研究和應用愈來愈受重視,但仍存有若干瓶頸無法突破。隨著科技的突飛猛進,精密制程已達到鏡面精度的程度,輕薄短小也成為各類科技產品的特色,這些因素驅動了磨潤學的研究往微觀方向發展的趨勢。尤其近年來,更由于奈米科技的蓬勃發展,物理學家對于古典力學中的amonton’s law及庫侖摩擦定律有了更深入的詮釋及周全的認識,讓奈米磨潤在科技上的應用更加得心應手,不僅可以改善齒輪及軸承的磨潤性能,精進引擎科技,更可以應用于其它新興科技領域。
●中正大學奈米力學創意計算法
創造臺灣地區產業競爭利基
近幾年來,臺灣地區學產界在奈米科技的研究日益精進,開發了奈米力學的創意計算法,引起國際上的注意,也因此得到了美國研發單位的研究贊助。此計算法的用途廣泛,在奈米材料的機械性質及磨潤性能的探討上,更是一項利器。奈米磨潤研究室在奈米管的力學研究成果也獲刊登在國際學術期刊nanot echnology的封面上。這些深耕學術基礎的研發成果,也逐步應用在奈米線寬晶圓制程及長行程的奈米定位平臺等高附加價值的技術上,具有創造臺灣產業之競爭利基的潛力。
在自然界,許多生物都是善用表面接觸原理的高手,例如蓮花效應(lotus effect),在蓮花葉表面存在許多突起的小顆粒結構,讓蓮花葉表面有絕佳的抗污性和抗水性,此即為蓮花效應的成因。科學家們利用此原理發明了許多科技產品,包括防水底片、防水噴霧劑、耐臟污的器具表面等。再以動物來看,壁虎的四肢具有驚人的黏附力( adhesion),根據研究,一只50公克壁虎的吸附力可以吊起約130公斤重物,其成因來自腳上具有層層分級的結構,在其腳趾布滿許多細微如棘毛(seta)的組織,而在每一根棘毛更有數百個分支,每個分支的前端擁有一宛如刮刀的細微結構(spatula),其大小僅有200奈米,壁虎就是靠著這細微如分子大小之結構與接觸表面之凡得瓦爾力(van der waals forces)產生黏附力,能在垂直壁面甚至天花板悠游活動,爬行自如。
●50公克壁虎的吸附力
可吊起130公斤重物
壁虎能在瞬間將其腳與接觸面脫離,靈活矯健的身手及重復使用單位面積下的巨大黏附能力,讓我們感到好奇及佩服。我們時常想在家中客廳掛一幅字畫來增添生活氣氛,但往往又不愿在精致裝潢的壁面上鉆孔安裝掛鉤,若選擇市面上常見的黏貼掛鉤,則又受限其荷重限制,當我們想改變吊掛位置或變換其它不同圖幅字畫時,不論是釘掛或是黏貼掛鉤,都無法重復使用。未來如能運用壁虎的黏附特性,發展出具極佳黏附力并具重復使用功能的人造材料,將其應用于制造產業來取代傳統的接合技術,如焊接、鉚接等,或建筑產業上取代傳統鉆壁鎖釘,避免破壞原結構特性,相信更能提升生活質量。
回顧文明發展的歷史,人類常常為了追求科技文明的進步及日常生活的便利,有意或無意間破壞了自然環境,而漸漸地卷入大自然反撲的漩渦。隨著科學的發展我們已能探索奈米世界中的事物,更具有能力來推動未來科技的進步,人類若要追求永續發展,除了運用奈米磨潤科技,發展減小摩擦及損耗技術、節約能源外,更可師法自然,借鏡大自然在千萬年演化中取得的智慧,進而轉變成人類可以應用的科技,仿效蓮花、壁虎等生物各自獨具的本能特性,研發新世代環保產物應用于日常生活中,為人類增添美好生活色彩的同時,不要再替地球村帶來負擔,身為21世紀的科技人,都應朝圓這美夢的方向努力。
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