【材料科技】巧克力噴泉的啟發,製備高分子球殼薄膜

■人們在十七世紀時發現流動的巧克力遇冷會凝固,而2016年的今天才有科學家把這概念用於製造「球殼薄膜」。

圖片來源: Melanie Gonick/MIT News
圖片來源: Melanie Gonick/MIT News

撰文|方程毅

到西式buffet用餐,解決完牛排炸蝦生魚片,肚子已經撐到不行,就該是甜點的時間了,巧克力噴泉棉花糖是個好選擇。把棉花糖放在熱熱的巧克力瀑布下,再浸到冰水裡瞬間凝固,想像一下那口感,巧克力與棉花糖的完美(肥胖)組合,真是一種享受。當我們這些凡夫俗子還在煩惱今天攝取太多熱量的時候,科學家們已經想到用這個概念製造高分子球殼狀薄膜。

製作高分子球殼狀薄膜並不是件難事,在工業界早已研發出各種方法,包括:射出成形(injection molding)、旋轉成形(rotational Molding)或吹塑成形(blow molding)等等,但這些方式都需要開模或是購置複雜機具,工業界因為皆為大量生產,因此不成問題,但以實驗室小規模來說成本卻過高。麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)及瑞士洛桑聯邦理工學院(École polytechnique fédérale de Lausanne,EPFL)便利用巧克力噴泉的點子,合作開發一種簡單又快速製造球狀高分子薄膜的方法,發表在《自然‧通訊》(Nature Communications)。

研究團隊使用的方法再簡單不過,他們將具有流動性的高分子澆在球狀物體上,讓液體自己往下流覆蓋住球體後再將其固化並脫膜。

他們使用的高分子為VPS (vinyl polysiloxane)及PDMS (polydimethylsiloxane)。VPS是一種常見的牙科印模材料;PDMS則用於生物微機電中的微流道系統、填縫劑或潤滑劑等等。雖然這是個簡單又有趣的實驗,研究人員可沒有當兒戲,他們做一系列實驗測試不同半徑的球狀物與殼膜厚度的關係並搭配理論計算,歸納出一個球殼厚度關係式:

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從這個關係式我們可以看出球殼厚度與其中心球狀物的半徑有很大的關係,這是因為球越大,高分子就需要更多時間流到底部,球殼厚度自然也比較厚;高分子黏滯係數大代表較難流動,產生的球殼也較厚;而固化時間長,高分子流下去的時間也長,球殼就會較薄。

實驗結果也顯示用這種方法製造的高分子球殼厚度非常均勻,而且實驗結果的可預測性也很高,適合在實驗室小規模製造。

主持本項研究MIT教授Pedro Reis在《MIT NEWS》表示:「這是一個簡單、可靠且快速的技術。我們建立了製備球殼薄膜的設計方式,且結果具有可預測性。我認為這非常強大,我們是用全新的視角看待一個古老的問題。」

原始論文:Lee, A., P-T. Brun, J. Marthelot, G. Balestra, F. Gallaire, and P. M. Reis. "Fabrication of slender elastic shells by the coating of curved surfaces. "Nature Communications 7 (2016).

參考資料:

  1. MIT NEWS: How crispy is your bonbon?
  2. Phys.org: New theory, inspired by chocolate coatings, predicts thickness of thin shells

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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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