《奈米科技概论》PPT课件.ppt
《《奈米科技概论》PPT课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《奈米科技概论》PPT课件.ppt(82页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、奈米科技概論奈米科技概論 期中報告期中報告天然的尼龍天然的尼龍學生:余思緯指導老師:李旺龍副教授天然的尼龍天然的尼龍蜘蛛絲比鋼鐵還堅固?蜘蛛絲比鋼鐵還堅固?拉斷蜘蛛絲所須的拉斷蜘蛛絲所須的拉力約為拉斷軟鋼的拉力約為拉斷軟鋼的一半一半一半一半。故不完全正確,但故不完全正確,但蜘蛛絲蜘蛛絲強度約等重鋼鐵的強度約等重鋼鐵的六倍六倍六倍六倍左右。左右。伸縮性為尼龍的伸縮性為尼龍的兩倍兩倍兩倍兩倍,比杜邦的,比杜邦的克維拉纖維高克維拉纖維高八倍八倍八倍八倍。蜘蛛絲的特殊之處在於既蜘蛛絲的特殊之處在於既強韌又有彈性強韌又有彈性。圖一蜘蛛網天然的尼龍天然的尼龍蜘蛛絲歷經數百萬年的演化而趨於完美蜘蛛絲歷經數百
2、萬年的演化而趨於完美。一隻蜘蛛。一隻蜘蛛能單獨造出能單獨造出七種不同的絲七種不同的絲,各自有其用途,包括用,各自有其用途,包括用來懸掛蜘蛛網的來懸掛蜘蛛網的牽引絲牽引絲最為堅韌、最為堅韌、捕捉絲捕捉絲具有最大具有最大的延展性等的延展性等。蜘蛛網必須能。蜘蛛網必須能夠夠捕捉捕捉快速飛行又沉甸快速飛行又沉甸甸甸的蟲子,不但要使蟲子的蟲子,不但要使蟲子無法動彈無法動彈,蛛絲又,蛛絲又不至於不至於應聲而斷應聲而斷,也不會,也不會產產生反作用力而把獵物彈開生反作用力而把獵物彈開。這。這令人聯想到航空母艦的令人聯想到航空母艦的攔阻索攔阻索,可在噴射機降落時,可在噴射機降落時用來用來幫助煞車幫助煞車。圖二
3、園圃蜘蛛(Araneus diadematus)天然的尼龍天然的尼龍圖三現存最古老的蜘蛛絲於2003年公開發表,保存在一塊於黎巴嫩的琥珀之中,出現的年份可追溯至1億2千萬年前的白堊紀初期。這個標本之所以吸引人,是因為捕捉絲上依然掛著一串小黏珠,清晰可見,宛如今天才結出來的蜘蛛網。蜘蛛是從頭吐絲嗎蜘蛛是從頭吐絲嗎?n n一般的蜘蛛的確是從身體的前端吐絲是沒有錯的n n人面蜘蛛卻是從尾部吐絲來結網從尾部吐絲的人面蜘蛛蜘蛛是如何結網的蜘蛛是如何結網的?一般的蜘蛛都是先將整的網的主幹織好,接著在將細部的絲一條條的補上隨風飄逸卻堅韌的蜘蛛絲隨風飄逸卻堅韌的蜘蛛絲n n我們常常把蜘蛛網看我們常常把蜘蛛網看
4、成很脆弱的絲線結構,成很脆弱的絲線結構,且時常見到的事已露且時常見到的事已露水或冰霜所凸顯出蜘水或冰霜所凸顯出蜘蛛網的形狀蛛網的形狀n n在巴布亞紐幾在巴布亞紐幾內內亞,亞,有種蜘蛛會結出很大有種蜘蛛會結出很大的網,大到足以讓人的網,大到足以讓人們將其纏繞在竹竿間們將其纏繞在竹竿間當成漁網當成漁網清晨結滿露水的蜘蛛絲大到足以當成魚網的蜘蛛絲隨風飄逸卻堅韌的蜘蛛絲隨風飄逸卻堅韌的蜘蛛絲圖四.1 園圃蜘蛛(Araneus diadematus)如此堅固,凡誤入其中之人,都為它令人動彈不得的黏性傷一陣腦筋斯隆爵士隨風飄逸卻堅韌的蜘蛛絲隨風飄逸卻堅韌的蜘蛛絲地窖與閣樓的陳年蜘蛛網,充滿著象徵性的意義:
5、地窖與閣樓的陳年蜘蛛網,充滿著象徵性的意義:它們是遺棄、離開、衰敗與遺忘的標籤。它們遮蔽它們是遺棄、離開、衰敗與遺忘的標籤。它們遮蔽人類的人類的產產物,彷彿用裹屍布層層包覆,死氣沉沉如物,彷彿用裹屍布層層包覆,死氣沉沉如經年累月創造這些經年累月創造這些產產物的手。物的手。李維李維(Primo Levi,1919-1987(Primo Levi,1919-1987,義大利化學家及,義大利化學家及作家作家),出自,出自各行各業各行各業(Other Peoples Trades)(Other Peoples Trades)但,園圃蜘蛛不僅結網結得十分好看,而且在你可能偶遇的蜘蛛當中,這種色彩斑斕的蜘
6、蛛也絕對是最漂亮的。隨風飄逸卻堅韌的蜘蛛絲隨風飄逸卻堅韌的蜘蛛絲圖四.2 園圃蜘蛛蜘蛛絲能紡成紗?蜘蛛絲能紡成紗?根據史料,最初嘗試利用蜘蛛絲的是法國人。根據史料,最初嘗試利用蜘蛛絲的是法國人。17091709年:聖西蘭用年:聖西蘭用蛛絲製成手套和長襪蛛絲製成手套和長襪獻給路易十四獻給路易十四17101710年:法國科學家雷慕爾研究這些年:法國科學家雷慕爾研究這些說說法法估計需要估計需要兩萬七千四百六十八隻雌蜘蛛才能兩萬七千四百六十八隻雌蜘蛛才能產產出一磅出一磅(四百五十四公克四百五十四公克)的絲的絲18761876年:清朝使節贈英國維多利亞女王一襲年:清朝使節贈英國維多利亞女王一襲蜘蛛絲製蜘
7、蛛絲製的禮服的禮服十八世紀後期:的澳洲,有項傳統是在十八世紀後期:的澳洲,有項傳統是在蜘蛛網上作畫蜘蛛網上作畫蜘蛛絲能紡成紗?蜘蛛絲能紡成紗?利用蜘蛛紡絲並不是什麼大學問,只要些許克難的利用蜘蛛紡絲並不是什麼大學問,只要些許克難的工具和一點耐性,你也可以自己動手做。首先,等工具和一點耐性,你也可以自己動手做。首先,等七月下旬七月下旬出現園圃蜘蛛結的網,於是捉住一隻蜘蛛出現園圃蜘蛛結的網,於是捉住一隻蜘蛛。你當然得限制蜘蛛的行動,可就近取一塊。你當然得限制蜘蛛的行動,可就近取一塊保麗龍保麗龍充當工作台充當工作台;你必須小心翼翼地將蜘蛛翻身,使牠;你必須小心翼翼地將蜘蛛翻身,使牠背部朝下,在蜘蛛身
8、體兩邊,拿兩條很細的橡皮筋背部朝下,在蜘蛛身體兩邊,拿兩條很細的橡皮筋從靠近身體處把從靠近身體處把腳腳綁住,一邊綁四隻綁住,一邊綁四隻腳腳。固定住之。固定住之後,你就可以拿根玻璃棒,後,你就可以拿根玻璃棒,輕觸蜘蛛腹部下方的吐輕觸蜘蛛腹部下方的吐絲器引出蜘蛛絲絲器引出蜘蛛絲,並輕輕拉出。,並輕輕拉出。蜘蛛絲能紡成紗?蜘蛛絲能紡成紗?若想捲成一捆絲,可將保麗龍固定在木片上,在木若想捲成一捆絲,可將保麗龍固定在木片上,在木片另一端裝上簡易的捲軸,很像是附帶把手的紡錘片另一端裝上簡易的捲軸,很像是附帶把手的紡錘上所裝的棉線線軸。若你碰巧懂得手公編織方面的上所裝的棉線線軸。若你碰巧懂得手公編織方面的知
9、識,就能收集一小捆絲,試著編成較粗的線,使知識,就能收集一小捆絲,試著編成較粗的線,使之比較接近紡織用的規格。不過呢,無論你拿蜘蛛之比較接近紡織用的規格。不過呢,無論你拿蜘蛛絲做什麼,最後一歩都要把蜘蛛放走。牠會馬上回絲做什麼,最後一歩都要把蜘蛛放走。牠會馬上回去工作,修補網子。去工作,修補網子。蜘蛛絲能紡成紗?蜘蛛絲能紡成紗?圖五圖五 園圃蜘蛛的吐絲器園圃蜘蛛的吐絲器一隻園圃蜘蛛有一隻園圃蜘蛛有三對吐絲器三對吐絲器,各具有,各具有多根吐絲管多根吐絲管,總數超過總數超過六百根六百根,雖然不靠顯微鏡就無法看到整個構造,但還是很,雖然不靠顯微鏡就無法看到整個構造,但還是很值值得一提。光看這個器官的
10、圖片,如果不加得一提。光看這個器官的圖片,如果不加說說明,你或以為這明,你或以為這是某種高科技噴膠系統。是某種高科技噴膠系統。蜘蛛絲能紡成紗?蜘蛛絲能紡成紗?蜘蛛常使網子保持在良好的維修狀態,每隔蜘蛛常使網子保持在良好的維修狀態,每隔兩、三兩、三天就要毀棄舊網,另結新網天就要毀棄舊網,另結新網。構成。構成新網的新網的蛋白質蛋白質蛋白質蛋白質中中,約百分之八十到九十回收自舊網,約百分之八十到九十回收自舊網,這表示蜘蛛獵,這表示蜘蛛獵食的主要目的是為了食的主要目的是為了取得結網所需的能量取得結網所需的能量;大部分;大部分的蜘蛛網原料都的蜘蛛網原料都不需仰賴食物來補充不需仰賴食物來補充,這種生命作,
11、這種生命作用展現了驚人的效率。用展現了驚人的效率。蜘蛛絲能紡成紗?蜘蛛絲能紡成紗?曾經有人嘗試以工業規模生曾經有人嘗試以工業規模生產產蜘蛛絲。經過適當的蜘蛛絲。經過適當的安排,一隻安排,一隻金色人面蜘蛛能金色人面蜘蛛能夠夠一口氣吐出三百公尺一口氣吐出三百公尺的絲的絲。問題是,蜘蛛。問題是,蜘蛛無法密集豢養無法密集豢養(跟蠶不一樣跟蠶不一樣),牠們生性好鬥,獨來獨往,若養在同一處就會自相牠們生性好鬥,獨來獨往,若養在同一處就會自相殘殺殘殺。由養蠶取絲學習造絲竅門由養蠶取絲學習造絲竅門圖六圖六 蠶繭蠶繭蠶絲是蠶為了包住蛹而製造的,因此韌性不如蜘蛛蠶絲是蠶為了包住蛹而製造的,因此韌性不如蜘蛛的牽引絲
12、,不過縱使日本當今的紡織技術火侯已相的牽引絲,不過縱使日本當今的紡織技術火侯已相當接近,但當接近,但蠶絲仍是人工合成纖維無法批敵的天然蠶絲仍是人工合成纖維無法批敵的天然產產品品。由養蠶取絲學習造絲竅門由養蠶取絲學習造絲竅門養蠶取絲的基本流程如下:蠶卵孵化後,以桑葉餵養蠶取絲的基本流程如下:蠶卵孵化後,以桑葉餵食蠶的幼蟲,經過四次食蠶的幼蟲,經過四次脫脫皮後開始結繭,於繭皮後開始結繭,於繭內內形形成蛹,此時用蒸氣或煙燻殺死繭成蛹,此時用蒸氣或煙燻殺死繭內內的蛹。繭絲包含的蛹。繭絲包含兩條兩條絲蛋白絲蛋白(fibroin)(fibroin),並以另一種蛋白質,並以另一種蛋白質絲絲膠膠(serici
13、n)(sericin)黏合而成,處理蠶絲時要以熱水除去絲黏合而成,處理蠶絲時要以熱水除去絲膠,再從水中抽絲連接成紗。紗伸展開來後纏繞於膠,再從水中抽絲連接成紗。紗伸展開來後纏繞於捲軸上,極為生絲。捲軸上,極為生絲。蠶生性挑剔,養殖條件也須嚴密控管,因此要蠶生性挑剔,養殖條件也須嚴密控管,因此要增加增加天然絲的天然絲的產產量並非易事量並非易事,絲的,絲的產產量也常受病害威脅量也常受病害威脅由養蠶取絲學習造絲竅門由養蠶取絲學習造絲竅門18911891年年和細菌之父,法國科學家巴斯德合作對抗蠶和細菌之父,法國科學家巴斯德合作對抗蠶微微孢孢子蟲病的夏多子蟲病的夏多內內伯爵,想辦法伯爵,想辦法配置出一種
14、溶液配置出一種溶液,再用一種類似蠶的,再用一種類似蠶的吐絲器吐絲器的噴嘴擠出的噴嘴擠出。事實上,葉子的主要成分是事實上,葉子的主要成分是纖維素,與絲蛋白極為纖維素,與絲蛋白極為不同,卻也是一種長鏈狀分子不同,卻也是一種長鏈狀分子。妙的是,纖維素經過幾道手續處理後,居然能製造妙的是,纖維素經過幾道手續處理後,居然能製造出近似蠶絲的物質,也就是眾所皆知的出近似蠶絲的物質,也就是眾所皆知的人造絲人造絲。如果能大量生如果能大量生產產人造絲人造絲如果當真要把蠶絲挪做防彈的用途,就必須要能如果當真要把蠶絲挪做防彈的用途,就必須要能夠夠大量生大量生產產才行。才行。發明於發明於19371937年的尼龍年的尼龍
15、,是以商業規,是以商業規模仿製天然絲的濫觴。尼龍模仿製天然絲的濫觴。尼龍並非源於植物性製品並非源於植物性製品,而適用很小的化學單元串接成長鏈狀分子,這類化而適用很小的化學單元串接成長鏈狀分子,這類化合物稱為聚合物,在現代文明以無所不在。尼龍中合物稱為聚合物,在現代文明以無所不在。尼龍中的主鏈是的主鏈是醯胺基醯胺基(amide group)(amide group),與天然絲相同,但,與天然絲相同,但分子的其他部分相去甚遠,而且尼龍的結構分子的其他部分相去甚遠,而且尼龍的結構比天然比天然絲規則絲規則的的多。多。各式各樣的防彈衣如果能大量生如果能大量生產產人造絲人造絲圖七圖七 克維拉纖維克維拉纖維
16、第一種正式用於防彈背心的人造絲是第一種正式用於防彈背心的人造絲是克維拉纖維克維拉纖維,這是一種更這是一種更堅韌堅韌的尼龍變體,發明於的尼龍變體,發明於19631963年。年。但即使尼龍、克維拉和其他纖維已成為不可或缺的但即使尼龍、克維拉和其他纖維已成為不可或缺的工業原料,蜘蛛絲過人的特性依舊魅力難檔。工業原料,蜘蛛絲過人的特性依舊魅力難檔。如果能大量生如果能大量生產產人造絲人造絲19701970年代後半年代後半,基因改造技術基因改造技術問世,局面因而有了問世,局面因而有了戲劇性的發展,取蜘蛛絲的基因植入動植物體戲劇性的發展,取蜘蛛絲的基因植入動植物體內內,理論上就能大量理論上就能大量產產絲。絲
17、。19801980年年計畫計畫啟啟動,卻因大自然的頑固而踢到鐵板。動,卻因大自然的頑固而踢到鐵板。事實證明,與胰島素基因這項基因改造技術的事實證明,與胰島素基因這項基因改造技術的的第一項重大成就相比,蜘蛛絲的基因比較難以駕的第一項重大成就相比,蜘蛛絲的基因比較難以駕馭。馭。20022002年年6 6月月,加拿大魁北克省的奈西亞生物技術公司,加拿大魁北克省的奈西亞生物技術公司宣稱,他們能用宣稱,他們能用基因改造山羊的乳汁基因改造山羊的乳汁來大量生來大量生產產蜘蜘蛛絲。蛛絲。羊乳蜘蛛絲羊乳蜘蛛絲n n將蜘蛛絲基因注入將蜘蛛絲基因注入山羊卵山羊卵細胞細胞中,制備了中,制備了重組的蜘重組的蜘蛛絲蛋白質
18、蛛絲蛋白質,並用這種蛋,並用這種蛋白質與水體系完成了環境白質與水體系完成了環境友好紡絲過程,由於本質友好紡絲過程,由於本質上更接近於天然蜘蛛絲蛋上更接近於天然蜘蛛絲蛋白質的組成和紡絲過程,白質的組成和紡絲過程,從而成功模仿了蜘蛛,於從而成功模仿了蜘蛛,於20022002年年1 1月生月生產產出世界上首出世界上首例例人工蜘蛛絲人工蜘蛛絲。n n第一代第一代 BioSteel GoaBioSteel Goa圖片來源圖片來源如果能大量生如果能大量生產產人造絲人造絲當今與蜘蛛絲相似度最高的人造纖維是尼龍與克維當今與蜘蛛絲相似度最高的人造纖維是尼龍與克維拉纖維,後兩者都是在拉纖維,後兩者都是在高溫環境下
19、利用有毒的化學高溫環境下利用有毒的化學原料原料所生所生產產,而且,而且會會產產生有毒廢棄物生有毒廢棄物。奈西亞總裁奈西亞總裁兼執行長透納便強調:我們用的是兼執行長透納便強調:我們用的是水和乾草;尼水和乾草;尼龍的半生期長達五千年龍的半生期長達五千年,你得在地面挖個坑把它埋,你得在地面挖個坑把它埋起來起來。我可不願意把這樣的地球留給子孫我可不願意把這樣的地球留給子孫。如果能大量生如果能大量生產產人造絲人造絲20032003年年1010月:月:由於後來生由於後來生產產的的生物鋼生物鋼在在質與量質與量兩方兩方面均不符需求,美國軍方和奈西亞的合作關係只得面均不符需求,美國軍方和奈西亞的合作關係只得告終
20、。告終。20042004年:年:將之紡成普通紗線與布料的開發案暫時中將之紡成普通紗線與布料的開發案暫時中止。理由是要量止。理由是要量產產兼具兼具價格競爭性價格競爭性與與卓越力學特卓越力學特性性的蜘蛛絲織品時,遭遇到接踵而至的的蜘蛛絲織品時,遭遇到接踵而至的技術障礙技術障礙。20052005年年3 3月月8 8日:日:這縷特別的蜘蛛絲物語宣告終這縷特別的蜘蛛絲物語宣告終結。究竟哪裡出了錯?蜘蛛是怎麼吐絲的?依樣畫葫結。究竟哪裡出了錯?蜘蛛是怎麼吐絲的?依樣畫葫蘆為何如此困難?蘆為何如此困難?製造之前先了解蜘蛛絲製造之前先了解蜘蛛絲圖八 蛋白質結構蜘蛛絲與羊毛及蠶絲一樣,都是一種蛋白質。材料科學家
21、沙力卡亞:蛋白質才是生物體內的苦力。人體內有數十種不同的蛋白質,全部合作無間地同時運作。你看東西、吃東西、想事情,全是拜這些蛋白質的交互作用所賜。製造之前先了解蜘蛛絲製造之前先了解蜘蛛絲蛋白質蛋白質的表面有許多地方具有的表面有許多地方具有吸引力與排斥力吸引力與排斥力,能,能以各種方式纏繞糾結。蛋白質的結構極為複雜,不以各種方式纏繞糾結。蛋白質的結構極為複雜,不過總的過總的說說來,你能隨心所欲地將它弄成想要的形狀來,你能隨心所欲地將它弄成想要的形狀。許多。許多蛋白質為水蛋白質為水溶性球狀分子團溶性球狀分子團,例如,例如蛋白蛋白;有;有些則為些則為非水溶性的纖維或角質非水溶性的纖維或角質,例如,例
22、如毛髮、指甲乃毛髮、指甲乃至蜘蛛絲至蜘蛛絲。製造之前先了解蜘蛛絲製造之前先了解蜘蛛絲蛋白的主要成份是白蛋白,一敲破蛋殼,便知道蛋蛋白的主要成份是白蛋白,一敲破蛋殼,便知道蛋白顯然是某種非常濃稠的溶液。生的蛋白雖呈透明白顯然是某種非常濃稠的溶液。生的蛋白雖呈透明狀,狀,流動性卻很差流動性卻很差,表示,表示其其內內部應有某種絲狀結構部應有某種絲狀結構。但。但絲狀蛋白的親水性極強絲狀蛋白的親水性極強,你把,你把蛋加熱時,絲狀蛋加熱時,絲狀蛋白所含的水分會排出去,因而開始蜷曲蛋白所含的水分會排出去,因而開始蜷曲,鄰近鏈,鄰近鏈狀結構上的分子便互相接觸,形成交互聯結,這樣狀結構上的分子便互相接觸,形成交
23、互聯結,這樣一來絲狀蛋白便一來絲狀蛋白便迅速糾結成球狀而不再呈膠狀迅速糾結成球狀而不再呈膠狀,取,取而代之的是而代之的是彈性十足的固體彈性十足的固體。製造之前先了解蜘蛛絲製造之前先了解蜘蛛絲雖然我們會認為,食用蛋白和毛髮、羊毛這類結構雖然我們會認為,食用蛋白和毛髮、羊毛這類結構蛋白根本是完全不同的物質,但其實它們的蛋白根本是完全不同的物質,但其實它們的化學性化學性質很相近質很相近。事實上,它們彼此之間可以。事實上,它們彼此之間可以相互轉換相互轉換。牛乳是一種牛乳是一種食材食材,但其中所含的,但其中所含的酪蛋白酪蛋白這種蛋白質這種蛋白質,可以加工製成有用的,可以加工製成有用的塑膠塑膠。此外,在合
24、成塑膠問。此外,在合成塑膠問世前,乳膠也常用來製作世前,乳膠也常用來製作紐扣紐扣之類的小物品。之類的小物品。製造之前先了解蜘蛛絲製造之前先了解蜘蛛絲但如果要製造出耐用的乳膠,就必須但如果要製造出耐用的乳膠,就必須控制水分含量控制水分含量,使,使脫脫水的過程水的過程不會不會產產生空洞生空洞,且必須,且必須去除脂肪去除脂肪,乳膠才能乳膠才能硬化硬化。蛋白質原料需要。蛋白質原料需要非常細膩的加工過非常細膩的加工過程程,才能,才能產產生洽當的性質,而工業用原料也能由生洽當的性質,而工業用原料也能由原原本截然不同的生本截然不同的生物性分子製造而成物性分子製造而成。那麼,既然能。那麼,既然能用牛奶作出紐扣
25、,何不用用牛奶作出紐扣,何不用基因改造山羊所含的蜘蛛基因改造山羊所含的蜘蛛絲蛋白來製造防絲蛋白來製造防彈背彈背心心呢?呢?蜘蛛絲的分子特性蜘蛛絲的分子特性以蜘蛛絲而言,絲線中的液體稱為以蜘蛛絲而言,絲線中的液體稱為液態絲液態絲,含有一,含有一團團具團團具高度方向性高度方向性的分子,這些分子的行為便有如的分子,這些分子的行為便有如液晶液晶。液體通過。液體通過吐絲器吐絲器時會時會脫脫去去水分水分,酸度酸度也跟著也跟著改變,使這些分子的方向性愈來愈高,最後全部順改變,使這些分子的方向性愈來愈高,最後全部順著流動的方向排列,吐出來的就是著流動的方向排列,吐出來的就是分子排列整齊分子排列整齊的的絲。絲。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 奈米科技概论 科技 概论 PPT 课件
限制150内