《三體》中的奈米纖維真的存在嗎?

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2024年初,Netflix上播出的《三體》成為臺灣地區熱門影集之一,它改編自劉慈欣的同名科幻小說。故事中,主角奧姬是奈米科技專家,透過奈米纖維改善人類生活。奈米纖維是一種能大幅提升表面積與體積比例的材料,可應用於醫療、過濾和藥物載體等領域。製作奈米纖維常用的方法是靜電紡絲,透過施加高電壓使液體成為帶電狀態,再拉伸成細流。雖然《三體》中呈現奈米纖維作為武器的場景純屬虛構,但它激發了對科學潛力的想像。讓我們來瞭解現實生活中奈米纖維的實際應用吧!

撰文|黃鼎鈞

2024年初,臺灣地區最火紅的影集之一就屬Netflix上的《三體》了,這部影片改編自中國科幻小說家劉慈欣的著作。主角之一的奧姬 (Auggie) 飾演一名奈米科技的專家,在劇中面對酒吧男子的搭訕,她這樣自我介紹:「我從事組裝人工聚合奈米纖維,並且開設一間製造工廠,供給各種有潛力的醫學、能源、材料領域應用。」什麼是奈米纖維?真的存在這種東西嗎?正在追劇的你可以放心,這篇文章不會劇透。反過來,就算你沒有追劇,也可以認識這個材料喔!

當聚合物能夠被製作成奈米細線時,會大幅提升表面積與體積的比例,因此獲得與日常纖維不同的特性,尤其是能夠增加材料與外界接觸的範圍,在化學過程中也就加強了反應強度。舉例來說,若將奈米纖維放入生物體中作為醫療的支架,因其接觸面積增大,能夠增加細胞的吸附程度,使器官的傷口加速癒合。表面積增大的威力不容小覷,幾年前臺灣八仙樂園的災難,其一原因正是因為「粉塵」太過細小,使得物質接觸面積增大,造成強烈的化學反應。

圖1:奈米纖維在電子顯微鏡下的影像|來源:Wikimedia Commons

在《三體》劇中,奧姬利用奈米纖維過濾器在瘧疾盛行的區域協助取得乾淨的水源,這是利用奈米纖維「高孔隙度」的原理。我們可以想像,在自助式火鍋餐廳中,店家常常提供濾網來協助顧客清除漂浮在湯表面的油,如果這個過濾網的孔洞越小且分布越多,則撈油的效果越好;白話來說,就是這些孔洞越是「密密麻麻」,過濾的能力越好。而奈米級(~10-9公尺)的孔洞,甚至比細菌(10-6~10-5公尺)及病毒(10-8~10-7公尺)的尺度更小,如此一來便能夠將這些病菌過濾掉,而達到潔淨飲用水的效果。

不僅如此,奈米纖維在醫療上也有極大的應用。它可以作為藥物載體,有效地包覆藥物,來提升其穩定性,讓藥物在抵達目的地之前,不會於過程中被破壞掉。不僅如此,我們還能夠在奈米纖維的表面上引入特定的功能基團,使藥物鎖定特定目標啟動藥效。在2023年底,一支由Myoung-Hwan Park等人組成的韓國研究團隊,便開發出以奈米纖維作為藥物載體,來針對皮膚疾病進行治療的標靶藥物,此項技術不僅能夠使藥物精準在患病皮膚進行釋放,甚至透過調整奈米纖維的成分,還能精確控制藥物釋放的速度。在研究中顯示,他們合成的奈米纖維,能透過外部的光照來控制其分解的速度;換言之,奈米纖維像是一份包裝精良的包裹一樣,不僅能保護好內容物,也正確送達目的地,甚至還有比日常郵務更厲害的,就是它還能限定收件人打開的時間。

 

奈米纖維如何製作?

最常見的奈米纖維製作方法是靜電紡絲 (Electrospinning)。這一方法是透過對液體施加高電壓,使液體成為一種帶電的狀態,而這些電荷會形成靜電排斥力,使液體開始舒張,這一個力量將與使液體收縮的表面張力互相抗衡。隨著施加的電壓上升,靜電排斥力會逐漸克服表面張力,使液體被拉伸開來;當兩者相互作用達到一臨界點時,液體表面張力完全被克服,液體開始從表面噴發出一條細流。透過不同的聚合物成分、液體性質、施加電場大小、接收細流的距離不同,且還須同時考慮環境條件,像是溫度、濕度等等,在科學家的精心調整後,就能製作出符合需求的奈米纖維。靜電紡絲這一方法不需要使用過多的化學物,且能在一般環境下進行,所以受多數材料科學家的喜愛。

圖2:當電壓足夠時,靜電斥力克服了表面張力,將從聚合物液體表面噴出奈米纖維細絲|來源:Wikimedia Commons
圖3:製備奈米纖維的過程,需透過在針頭施加電壓,使纖維從表面噴出,此噴出的形狀被稱為泰勒錐 (Taylor cone),再以右側的滾動軸接受細絲紡成纖維|來源:Wikimedia Commons

 

奈米纖維能作為武器嗎?

在《三體》影集中,最讓觀眾震撼的一幕,便是奧姬使用奈米纖維瓦解敵人的船隻。在劇中,奈米纖維是肉眼看不見的細絲,當船航向這些細絲時,所有人員及器具瞬間便被碎屍萬段,十分駭人!但這是有可能的嗎?目前雖無相關以奈米纖維作為武器的學術文獻,但我們可以腦洞大開地試想可能性。不少人有被紙張割傷的經驗,這是因為白紙的邊緣非常的薄,縱使白紙的材質柔軟,仍相當的鋒利;同樣的,許多人甚至有被頭髮割傷的經驗,也是因為頭髮也僅有微米級的直徑;以此類推,如果是非常薄的刀刃,也將能帶來更強大的切割能力。就以薄度與鋒利度成正比來看,若刀刃最前沿只有奈米級的厚度,甚至只有一層原子的厚度,可想而知,那鐵定是非常的銳利。因此,若是能做出一種奈米纖維細絲,材質像是刀片、直徑比頭髮更短,且是塑膠透明的顏色,還能夠像吊床一樣被編織懸掛在某處,或許就能做出像《三體》中的奈米纖維陷阱,只要是經過的物品都將被切割得四分五裂。

科幻電影或許不完全符合科學,但卻讓我們對於科學的前景有更多的想像力,多少在上個世紀電影中的想像,像是網際網路、行動裝置,如今都已經在這世代成真了呢!希望科學的進步是造就更多人類的福祉,而不是帶來更多人類的衝突,甚至是升級了戰爭的規模。

 


參考文獻

  1. Singh, B., Yun, S., & Park, M., 2023, “Light-responsive layer-by-layer assembled nanofibers for sequential drug release.”, Journal of Drug Delivery Science and Technology, 88, 104910.
  2. Chen, H., Zhang, H., Chen, M., Quan, Y., Wang, C., Gao, Y., & Wu, J., 2023, “Polyacrylonitrile nanofibrous membrane composited with zeolite imidazole skeleton-8 and silver nanoclusters for efficient antibacterial and emulsion separation.”, Biointerphases, 18(2).
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