【科學講堂】蛋白質製玻璃 高效兼自我復原
材料科學是一個發展很快,對社會有極大影響的科研領域,科學家們運用對物理、化學或是生物學的最新知識來製造出新的物料,致使它們有新的,甚至以前無法想像的特質。近日,研究人員製造出可以自己復原的玻璃,今次就和各位分享一下。
玻璃僅物料結構狀態
玻璃在現今社會被普遍利用,大家亦應該十分熟悉。不過,玻璃究竟是什麼?
從材料科學廣義的角度來看,玻璃其實是一種物料結構的狀態,並不只局限於某一個特定的化學成分。一些化學品的分子會整齊地排列在一起,變成晶體,比如說我們用來調味的食鹽,就會結成四四方方的晶體。從這個方面來說,玻璃正好與晶體相反,玻璃裏的各種成分都是不規則地混合在一起,並沒有固定的規律。
如果物料從高溫冷卻下來成為堅硬的狀態後,其中的成分並沒有形成固定的結構,那麼這個物料就很有可能是一種玻璃。我們常見的玻璃,主要的成分是砂粒、石灰岩和碳酸鈉,但其他的材料也可以造成玻璃。
上面提到的常見玻璃原料,成本都不高,但已能製造出實用又美觀的玻璃。不過,這並不代表我們沒有開發其他種類的玻璃的需求。
比如,砂粒來源不一定穩定,當羅馬帝國衰落的時候,歐洲暫時缺乏固定的砂粒來源,玻璃技術的發展一度停步不前;在二次世界大戰的時候資源短缺,也讓當時的玻璃生產面臨困難。而且,現在玻璃的製作需要先將材料加熱到高溫再冷卻下來,會用到不少能量,因此在關注可持續發展的現代,能夠開發出一種不需運用高溫生產的玻璃十分有吸引力。
利用蛋白質來製作玻璃是一個很有潛力的可能性,蛋白質在大自然隨處可見,我們對這種生化分子也有頗深的認識。蛋白質的可塑性高,可以形成不同的分子結構,展示各種功能和特徵。
近日,有研究人員利用由3個氨基酸組成的、較短的蛋白質來製造新的物料(這些較短的蛋白質又被稱為肽),當這種肽溶液中的水分慢慢蒸發,剩下的肽就會自行組織成透明的玻璃。
這種玻璃還有一種自我復原的特性,乾燥的時候,這種玻璃會較脆及出現裂痕;但在潮濕的環境中,它可以吸收附近的水分,回復原狀並消除裂痕。
原來,這是因為肽分子會跟水分子形成氫鍵 (hydrogen bond),所以能夠消除裂痕,讓本來分開的部分重新連接起來;反之,乾燥的環境中缺乏水分,這種玻璃無法形成氫鍵,因此就會變得較脆。
這種玻璃的製作方法還有一個好處,就是比傳統玻璃的製作方法更靈活,能夠大大提高製作玻璃製品的效率。比如製作鏡片,以往要先從一大片玻璃中切割出不同形狀的鏡片,但這種新玻璃的原料是肽溶液,所以我們可以把這種溶液放進適當的容器中,將水分蒸發後就能夠製成鏡片。
小結
材料科學的發展讓我們能夠用上更理想的材料,改善我們的生活。科學家們還在繼續了解物料的結構和不同成分之間的相互影響,未來可以期待更多神奇材料的誕生。
◆杜子航 教育工作者
早年學習理工科目,一直致力推動科學教育與科普工作,近年開始關注電腦發展對社會的影響。