第270話:從熱帶魚斑紋到奈米材料
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第270話:從熱帶魚斑紋到奈米材料

更新於 發佈於 閱讀時間約 5 分鐘

從熱帶魚、斑馬、長頸鹿、獵豹身上的花紋,我們可以學會什麼?答案是…

能自我修復的奈米材料!

熱帶魚的皮膚圖形,也可以在金屬奈米結構上看到(來源:日本電氣通信大學)

熱帶魚的皮膚圖形,也可以在金屬奈米結構上看到(來源:日本電氣通信大學)

這也差太多了吧,感覺像是八竿子打不上的東西…將「生物體表的花紋」與「奈米材料的特性」連上關係的,是二次大戰時破解納粹德軍密碼的電腦科學先驅艾倫‧圖靈(Alan Turing, 1912-1954)。

艾倫‧圖靈的傳記電影「模仿遊戲」(來源:Morten Tyldum/Black Bear Pictures)

艾倫‧圖靈的傳記電影「模仿遊戲」(來源:Morten Tyldum/Black Bear Pictures)

在生命科學進展神速的當下,問起上述那些動物的體表為何會長出那樣「亂中有序、序中有亂」的花紋,大部分人的直覺應該是「啊就基因決定的嘛!」確實,生物體的性狀,多半是來自基因的傑作,不過圖靈有更簡單的想法:要形成圖案,至少得要有兩種顏色,要在體表不同位置呈現不同顏色,一定有至少兩種化學物質的分布是對應體表顏色的分布位置。既然是「生物體內的化學物質」,會做的就是兩件事:擴散以及反應。

在此理論基礎下,圖靈寫下了著名的「反應—擴散方程式」(reaction-diffusion equation),調控兩種化學物質各自的擴散以及反應速率,就可以讓這兩種化學物質在平面上排列出各種有趣的圖形,包含上述那些我們生物體表上常見的結構,後來我們就把這類圖案稱為「圖靈模式」(Turing pattern)。

1952年圖靈把這個理論寫成題為「型態發生的化學基礎」(The Chemical Basis of Morphogenesis)的論文發表,比華生與克里克發表DNA雙螺旋結構早了一年。這個理論成為目前我們理解生物圖案形成的基礎。2006年,中興大學物理系的廖思善教授也發表了以此理論為基礎,研究了豹身上的花紋如何隨年齡增長而變化的論文,Nature還專文報導了這個研究。

圖靈在對生物學瞭解不多的情況下,能夠直指核心提出這個理論,真的是很厲害。

講了半天都是生物界的東西,跟奈米材料有什麼關係呢?

最近的物理界,「單層二維材料」正夯,最有名的明星材料,當然就是應用前景看好的石墨烯了,除此之外,科學家也嘗試製造其他的二維材料,想看看還有沒有什麼好玩又好用的性質。

日本電氣通訊大學(University of Electro-Communication)的伏屋雄紀教授團隊,嘗試在二硒化鈮(NbSe2)基板表面上長出鉍(Bi)的單層原子結構,長好後放進電子顯微鏡下一看:這不是跟熱帶魚表皮上一樣的「圖靈模式」圖案嗎?當然,由於是金屬原子的排列,條紋的部分比生物條紋平直許多,這些條紋以1.7奈米的間距排列,中間雜以Y字形的結構串接這些條紋。

研究團隊利用「鉍與硒的交互作用」以及「鉍與鈮的交互作用」建構了這個系統的「反應—擴散方程式」,模擬了鉍原子在基板上面的移動與排列情形,成功重現了實驗結果。

過去在自然界看到的「圖靈模式」尺度,大多落在0.1mm ~ 10cm 的範圍,這次是第一次在奈米尺度下看到,可見圖靈的這個方程式,可以適用在更廣的範圍。

更厲害的是,因為這個鉍原子層是以「自我組織」(self-organization)的方式長出來,所以如果施個外力把局部結構破壞,過一陣子又會自動恢復到原來的結構。這種自我組織、自我修復的特性,在未來的奈米材料科技中,可能會有很重要的應用。

這個材料的自我修復功能:左上角的圓形是用外力壓傷這個材料的結構,經過一段時間後(左至右、上至下),這個傷痕慢慢消失,變回原來的結構(來源:Nature Physics)

這個材料的自我修復功能:左上角的圓形是用外力壓傷這個材料的結構,經過一段時間後(左至右、上至下),這個傷痕慢慢消失,變回原來的結構(來源:Nature Physics)

比如說可以拿來製造惡魔鋼彈…

這個研究,發表於12月8日的「Nature Physics」(2020 影響係數 = 20.034)。

火州博士4ni?!把這拿來製造可以自我再生、自我增殖、自我進化的惡魔鋼彈吧!(來源:金川泰宏/SUNRISE)

火州博士4ni?!把這拿來製造可以自我再生、自我增殖、自我進化的惡魔鋼彈吧!(來源:金川泰宏/SUNRISE)

最近有人在抱怨我們老是踩生物系的線,我還是這句老話:「生命宇宙與萬事萬物什麼都馬跟物理有關啦科科」。

  • 超中二物理宅雜記
  • 等我征服世界就把奈米材料列為全人類必修
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  • 話都給我講就好 其之270

電通大學新聞稿(2021/07/09):https://www.uec.ac.jp/eng/news/announcement/2021/20210709_3528.html

Nature Physics論文(2021/07/08):https://www.nature.com/articles/s41567-021-01288-y

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