【材料科技】疏水、抗菌、不沾黏,新一代鋼鐵出現!

■哈佛大學實驗室研發出一種製程簡單且耐用的方法讓鋼鐵表面超疏水、抗菌且不沾黏。

01252撰文|方程毅

若要票選自工業革命以來最重要的材料,鋼鐵一定輕鬆稱霸。身為工業之母,鋼鐵的用途滲透我們生活每一個角落,從出門代步的汽機車、煮飯用的鍋具到手術室裡的手術刀,就連材料系大一入門所學的第一個材料也是鋼鐵。由於數百年來知識與技術的積累,鋼鐵工業深厚的技術底蘊能滿足各式需求,藉由調整製造過程,我們有能力出生產各種硬度、延展性或是耐高溫抗酸鹼的鋼鐵,讓我們能上太空也能鑽地洞,但有一項性質數百年來卻沒有多大的進展,那便是「表面特性」,因此哈佛大學Joanna Aizenberg教授的實驗室最近便研發出一種耐用、製程簡單的方法讓鋼鐵表面能疏水、抗菌且不沾黏,發表在《奈米‧通訊》(Nature Communications)上。

在解釋表面特性要如何改善前,我們先來想想表面特性為什麼重要,假設今天有一艘郵輪或戰艦在海上航行,為了節省油料,當然希望阻力越小越好,若是鋼鐵的表面能做成超疏水性,就能減少航行時的摩擦阻力;另一方面,如果你曾注意這些船隻吃水的地方,會發現船隻下半部常常沾著一大堆黑黑髒髒的東西,這些沾黏物其實是微生物或藻類,他們的存在代表船隻會「拖」著一堆累贅航行,這個現象稱為生物淤積(或生物污損)(biofouling),同樣造成阻力,如果鋼鐵的表面能夠防止生物附著,船艦的效率就能獲得提升。

再看看另一個例子,手術刀。大家都知道動手術時一定要盡量避免傷口感染,但一般人皮膚上難免有病菌及微生物,當手術刀劃開皮膚時,這些病菌沾在刀上,隨著手術刀往組織及器官邁進,皮膚表面的病菌也就順便被送了進去,若是手術刀表面能具超疏水性,血液便不會沾在刀上,如此一來便能增加抗菌性及降低病菌的附著力,讓手術過程造成的感染機率大幅降低。

以往有許多研究針對鋼鐵表面進行改質,讓液體或微生物在其表面的附著力降低,但是這些方法有的不夠持久耐磨、有的不夠環保、有的製程太昂貴。為了解決這個問題,Joanna Aizenberg教授的研究團隊將塊狀氧化鎢化學電鍍在鋼鐵表面上,電鍍上去的氧化鎢在表面形成多孔且粗糙的奈米結構,這種奈米結構讓鋼鐵表面能跟荷葉一樣具有疏水性,經實驗證明接觸角可以高達169度,應用於船隻可以減少航行時水的摩擦阻力,醫學上也能減少手術刀沾附血液或組織液的機會,表面疏水,微生物的沾黏性也同時大幅下降。

事實上鋼鐵業早就利用化學塗料讓表面疏水抗沾黏,但化學塗料有持久性不足的缺點,不耐磨也難以抗酸鹼腐蝕,經由氧化鎢表面改質的鋼鐵具有極佳穩定性,因為氧化鎢是一個非常穩定的材料,不容易與酸鹼反應,也能容忍高溫;不僅如此氧化鎢更是個高強度材料,實驗團隊刻意讓改質過的鋼鐵表面受到損傷,然後再量一次接觸角,依然還有158度,因此這個方法後能承受的環境及溫壓條件範圍大,同時也無毒無害,解決了以往表面改質特性不佳及不環保的缺點。更可貴的是,使用的方法也不是特別新穎,電鍍是個在工業界相當普遍的製程,難度及成本都不高,具有大規模生產的潛力。

Joanna Aizenberg教授表示:「相較於其他表面處裡的方式,我們生產出鋼鐵的耐用度是別人的好幾倍。」「通常來說,耐用度及抗附著物是相互衝突的兩個特性。我們需要粗糙且多孔奈米表面防止附著,而這些結構通常會讓材料強度變弱。這項研究展示了透過精巧的設計表面結構,可以讓材料身上同時擁有多種互相衝突的特性,且不影響其表現。」

原始論文與圖片出處:Tesler, Alexander B., Philseok Kim, Stefan Kolle, Caitlin Howell, Onye Ahanotu, and Joanna Aizenberg. "Extremely durable biofouling-resistant metallic surfaces based on electrodeposited nanoporous tungstite films on steel." Nature communications 6 (2015).

參考資料:
Phys.Org: Super-slick material makes steel better, stronger, cleaner

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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