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為生物醫學及環境等多個範疇的應用開拓新領域

科大研發全球最堅固的聚合物納米薄膜

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高平教授(左二)、其博士生顧其傲(右二),以及科大設計與製造服務所的張樹君(左一)和李清(右一)
高平教授(左二)、其博士生顧其傲(右二),以及科大設計與製造服務所的張樹君(左一)和李清(右一) [Download Photo]
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香港科技大學(科大)的研究團隊研發了一種極薄的聚合物納米薄膜。這塊薄膜不僅較同一質量(mass)的不銹鋼堅固二十五倍1,同時亦具備透明、透氣及防水特質,更可調教當中的氣孔大小,適用於製造可穿戴式裝置、醫療防護產品、海水淡化濾膜、太陽能電池及應用於其他前沿科技上。

自新型冠狀病毒病疫情出現以來,由科大化學及生物工程學系教授及科大(廣州)先進材料學域署理主任高平教授所帶領的團隊,便已積極研究如何利用他們的高性能新物料,製造一個既透明亦透氣的口罩。經過數月的努力,研究團隊終於製成一個原模,並透過進行與NIOSH NaCI(N95呼吸器測試標準)同等水平的測試,證明口罩對病毒、細菌以及其他粒子的過濾效率高達百分之九十九2

高教授說﹕「這種納米材料擁有龐大的潛力,但由於疫情肆虐,我們近月集中研究將納米薄膜應用到製作一款不僅透氣度高、且有高效隔菌功能的透明口罩。據我們了解,現時尚未有一款口罩能同時兼備三個條件。雖然市面流行的不透明口罩能保護配戴者減低感染機會,但對透過讀唇或面部表情溝通的聽障人士,以及依賴面部表情輔助教學的老師、照料小朋友的保育員或演藝人員等,卻造成不便和影響。」

除口罩以外,研究團隊亦已就納米薄膜在其他範疇的應用申請了六項專利,當中包括用於海水化淡的納米濾膜。納米薄膜可調教氣孔大小的特性,令有關產品成為目前全球最強效的膜蒸餾法(membrane distillation)海水淡化聚合物濾膜,化淡效率不僅較市面現存產品高出十倍,亦是世界記錄近三倍。

納米薄膜貼服、防菌、透明而堅韌的特質,令其成為不同生物醫學應用的理想材料。例如用作製造無需每天替換、並可在傷口上直接塗藥的新一代傷口敷料。高教授指﹕「這種敷料對於大範圍燒傷的病人尤其有效,能暫時成為他(她)們皮膚的替代品,醫生可於敷料上直接塗藥,藥物便會滲透至傷口底層。加上敷料具備良好防水性能,病人貼上敷料後即使洗澡亦無須擔心傷口會碰到水。」

納米薄膜也可成為更佳的感應器(motion sensor),用作感測人體動作或設計機械人動作等。除了生物醫學及環境範疇,納米薄膜亦可用於電子儀器上,例如經納米薄膜傳聲的高音質喇叭器材、超薄電池以及高能高儲量的電容器等。

團隊研發的納米薄膜,厚度只有二十納米(較千分之一根頭髮還要薄),是由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)所製成。UHMWPE是一種可用於製作避彈衣的輕型材料,但利用傳統的通過將材料沿著相反的方向拉伸,以改變其内部無序和纏結的高分子鏈的固有取向,進而降低膜厚度的方式很容易令材料斷裂。

不過,高教授卻找到了鬆解糾纏分子鏈的方法。正如使用護髮素令頭髮順滑一樣,研究團隊把UHMWPE放入一種潤滑劑中,將之變成凝膠狀,結果不但提升了物料的可拉性(drawability),亦有效防止其分子鏈「打結」。團隊隨即重新調整分子鏈,將它們排序成一個堅固物料獨有的三角形結構。

高教授的博士生顧其傲及科大設計與製造服務所的張樹君和李清協助設計及製造了納米透明口罩。

1. 當「強度」(strength)一般被理解為材料在一個單位面積所承受的力度時,比強度(specific strength)是會考慮到材料的密度及重量。例如鋼及鈦可以在一個單位面積承受同樣的力度,但因為鈦的重量較輕,所以有較高的比強度。比強度在航天科技領域尤其重要,因為製造飛機尤其需要輕身及堅固的物料。

2. NaCI是美國國家職業安全衛生研究所認可的一項驗證N95呼吸器的測試,以評估不同過濾物料的粒子穿透力及空氣阻力。這項測試較美國食品藥品監督管理局所認可的外科口罩測試更為嚴謹。

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(原文由香港科技大學公共事務處在此發佈。)