Fiorenzo Omenetto 談絲,古老材料的未來

Fiorenzo Omenetto: Silk, the ancient material of the future

Fiorenzo Omenetto分享20多種絲的驚人新用途,這是大自然最優雅的材料之一-能傳輸光、增進永續發展、增加物質強度並使醫療突飛猛進。他在講台上展示了一些用這種多用途材料製成的有趣物品。

講者介紹

Fiorenzo Omenetto

Fiorenzo Omenetto的研究橫跨非線性光學、奈米結構材料(如光子晶體及光子晶體纖維)、光流體及以光子為基礎的生物聚合物。他最近致力於發展絲的高科技應用。

Fiorenzo Omenetto是塔夫茨大學生物醫學工程教授,及超快非線性光學和生醫光電實驗室的領導者,並擔任物理系教授。於塔夫茨大學任教前,他是洛斯阿拉莫斯國家實驗室的奧本海默前研究員,他的研究重點在於跨學科主題,橫跨非線性光學、奈米結構材料(如光子晶體及光子晶體纖維)、光流體及以光子為基礎的生物聚合物。他已發表過100多篇論文,並對這些不同學科的同行審查有所貢獻。 於2005年年底加入塔夫茨大學後,他提出並率先(與David Kaplan)使用絲作為光子、光電子及高科技應用的材料平台。這項新

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Fiorenzo Omenetto 談絲,古老材料的未來

  • 謝謝,非常高興來到這裡,我要談的是一種仍然不斷為我們帶來驚喜的新型傳統材料,這或許會影響我們對材料科學及高科技的看法,也許隨著研究進展,也可以對醫藥及全球健康有所貢獻,並幫助重新造林,所以這多少算是一種大膽的宣言,我將多告訴你們一些這種材料,事實上,有一些特性讓它好到幾乎令人難以置信,它具有永續性,是一種永續材料,它的處理過程完全在水中及室溫下,並隨著時間而產生生物降解,所以你可以看到它瞬間溶於一杯水,或在其中維持多年穩定狀態。它是可食用的,可植入人體而不會引起任何免疫反應,它事實上能重新融入體內,它具有科技上的用途,所以它可以做一些像是微電子的產品,也許也可做光子產品,這種材料看起來像這樣,事實上,你看到的這種材料清澈而透明,這種材料的成分只有水和蛋白質。

    這種材料就是絲。這跟我們一般印象中的絲有些不同,所以問題是,你如何徹底改造已經存在五千年的東西?大致上來說,這個發現過程的靈感來自於大自然,因此,我們對蠶感到驚嘆不已,你在圖片上看到的蠶正在紡絲,蠶做的事相當驚人:它用這兩種存在於牠腺體中成分,蛋白質和水,做成一種非常堅韌的保護材料,足以媲美像Kevlar之類的科技纖維。

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  • 因此,在這個我們知悉並熟悉的紡織工業所使用的逆向工程過程中,紡織工業的做法是將蠶繭散開,然後編織成迷人的東西。我們想知道如何從水和蛋白質做出這種液態的Kevlar,這種天然Kevlar纖維,因此,需要瞭解的是如何實際進行這個逆向工程,從蠶繭回溯到腺體,並取得水和蛋白質這些起始原料,這個過程是在大約二十年前,由一個我有幸能跟他合作的人,David Kaplan所發現的,因此我們得到了這個起始原料,讓這個起始原料回歸成基本成份,我們用這個做出各式各樣的東西,例如薄膜,我們利用的是非常簡單的東西,製成這些薄膜的配方就是利用以下這個事實:蛋白質對自己要做的事非常聰明,它們找出自我組裝的方式,因此配方很簡單:取出絲溶液,將它倒出,然後等待蛋白質自我組裝,然後將蛋白質分離,就會得到這個薄膜,彷彿蛋白質在水蒸發後找到彼此一般。

    但我提過這種薄膜也是科技產物,這是什麼意思?這意味著你可以將它與一些典型的科技產物結合,如微電子和奈米科技,這張DVD的圖片只是為了說明一個重點,蠶絲能循著非常細微的表面形貌延伸,這意味著它們能複製奈米尺度的結構,因此,它能複製這片DVD上的資訊,我們可將資料與水和蛋白質形成薄膜而儲存,因此,我們試著做出一些東西,我們將訊息寫在一塊絲上,它在這裡,訊息在那裡,這相當像儲存在DVD裡的訊息,你可以用光來讀,這需要一隻穩定的手,這就是為什麼我決定在講台上、在上千人面前做這件事,讓我看看。所以,你看見這片薄膜的光穿透到那裡,然後...(掌聲)而最了不起的壯舉,其實是我的手能停住不動足夠長時間來做到這個。

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  • 所以一旦你瞭解這種材料的這些屬性,你就可以做很多事,它的用途事實上不限於薄膜,因此這種材料可以呈現很多形式,然後你可以做有點瘋狂的事,做各種光學元件,或可以做微稜鏡陣列結構產品,像球鞋上的反光條,或可以做漂亮的東西,如果攝影機可以拍到,你可以試看看,你可以在薄膜上加上第三個維度,如果角度正確,你可以看到顯現在這個絲質薄膜上的全像圖。但你也可以做其他的東西,你可以想像,也許可以用純蛋白質導光,所以我們已做出光纖。

    但絲的用途廣泛超出光學範圍,你可以思考不同的形式,舉例來說,如果你怕看醫生而被打針,我們做出了微奈米針陣列,你在螢幕上看到的是一根人髮,疊放在用絲做成的針上,只是要讓你們對它的大小有個概念。你可以做較大的東西,你可以做齒輪,螺帽和螺栓,你可以在Whole Foods超市買到這個,齒輪在水中也可以運作,所以你可以考慮用它來代替機械零件,也許你可以使用這個液態Kevlar纖維,例如當你需要某種堅韌的東西取代周邊靜脈時,或也許是整根骨頭。你在這裡看到的是小型頭骨的樣本,我們稱他為迷你Yorick。(笑聲)但你可以做一些像杯子之類的東西,因此,如果加一點金,加一點半導體,你可以做貼在食物表面的感測器,你可以做能折疊和包覆的電子元件,或者,如果你走在時尚尖端,可以做一些絲製的LED刺青。

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  • 所以,如你所見,它具有多功能性,所以你可以用絲做出這些材料形式。但它還有一些獨特的特性,我的意思是,為什麼你會想真正做出這所有東西?我開始時簡要的提過這一點,蛋白質具生物降解和生物相容特性,你在這裡看到的圖片是組織切片。生物降解和生物相容性是指什麼?你可以將它植入體內,不需取出植入的東西,這意味著你之前見過的所有裝置和所有材料形式,原則上可以植入並消失。你在那個組織切片上看到的是,事實上,你看到的是反光條,所以,就像你夜間開車時看到的,這個想法是,如果你讓組織發光就可以看見它,你可以看到組織更深的部位,因為上面有這個用絲做成的反光條,你看這裡,它會重新融入組織,重新融入人體內。這不是它唯一的作用,但重新融入環境是很重要的,所以,你只要有個時鐘,有蛋白質,你可以沒有罪惡感的扔掉一個像這樣的絲質杯,不同於…(掌聲)不同於很不幸地每天填滿我們垃圾掩埋場的聚苯乙烯杯,它可以食用,所以可以做食品的智慧包裝,你可以將它跟食物一起煮。它不好吃,所以我在這方面將會需要一些幫助。

    但或許最了不起的是:它的形成是個完整的循環,絲,在其自組裝過程中,就像一個生物物質的繭,所以,如果你改變配方,並在倒出時添加一些東西,所以你添加東西到液體絲溶液中,這些東西是酵素、抗體或疫苗。自我組裝過程中會保留這些摻雜物原本的生物功能,因此,它使這種材料具有環境上的活性和互動性,所以之前想到的那些螺絲,事實上可以用來將骨頭栓在一起,使斷掉的骨頭連接,並在骨頭癒合時供給藥物,或者你可以把藥物放進錢包,而不是冰箱。因此,我們已做出含有青黴素的絲質卡片,我們將青黴素儲存在攝氏60度,即華氏140度,歷時兩個月,青黴素的效用並未喪失,因此,這可能是---(掌聲)這對駱駝背上的太陽能冰箱來說,可能是一個很好的替代品。當然,如果你不能使用的話,它就會毫無作用,存在於儲存狀態中。

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  • 因此,這是這種材料另一個獨特的性質,就是它們可程式化的降解。你們在圖片中看到的是其中的差別。在頂端,你使一片薄膜經歷不被降解的過程,在底部,你使這片薄膜經歷在水中降解的過程。你所看到的是,底部薄膜釋放出其中所含的物質,因此它能讓我們之前儲存的物質回復,因此這能讓藥物的運輸受到控制,以及使你看過的這所有的材料形式重新融入環境。

    因此我們真正發現的線索就是一根絲線。我們深受這些想法激勵,不管你想做什麼,無論是要替換靜脈或骨骼,或也許是讓微電子產品更具永續性,也許是喝了咖啡後將杯子丟掉而沒有罪惡感,也許是將你的藥裝在口袋中,將它們輸入體內,或將它們運過沙漠,這個答案可能就在一根絲中。

    謝謝。

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