更硬更有彈性 提升手機螢幕耐用性 以貝殼為師 玻璃剛柔並濟

編譯/韋士塔 |2021.10.09
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科學家模擬貝殼的結構,設計出更耐用的強化玻璃。圖/網路

編譯/韋士塔

玻璃的特點是透明度,也因此成為智慧手機等裝置的主要螢幕材料,不過,玻璃的缺點是一旦遭到撞擊或摔落時容易破損碎裂。有鑑於此,科學家正持續研發新的玻璃材料,開發更堅固、具有彈性的玻璃,提升手機螢幕的耐用性。

加拿大麥基爾大學(McGill University)的研究團隊,模擬珍珠母﹙Nacre)的結構,設計一款硬度更高,但兼具透明度和彈性的新型玻璃複合材料;這種新型玻璃堅固程度是傳統玻璃的3倍,抗斷裂性則達5倍。

珍珠母是由軟體動物所產生的有機及無機混合物,是珍珠貝殼的內層,是一層薄薄的碳酸鈣質夾層所形成,這些夾層由許多具彈性的高分子聚合物(如蟹殼質、絲蛋白)隔開,材質非常堅固, 一般也會帶有不同的生長紋和光澤,有些是透明狀態,有些會具有彩色的閃亮反射效果。

麥吉爾大學生物工程系副教授厄立克(Allen Ehrlicher)表示:「玻璃非常耐用,是現代世界用途最廣泛的材料之一,這種透明材料不透氣、不透水,且有硬度,但受力時容易脆裂。目前雖然有鋼化和層壓技術可製造強化玻璃,但成本相對昂貴;業界選擇玻璃時,只能在強度、韌性和透明度之間取捨。」

厄立克的研究團隊嘗試各種材料和結構,希望開發兼具多項優點的玻璃,最後他們發現,貝殼內層的結構相當特殊,依照其結構並以丙烯酸複合材料製造出的玻璃,具備堅硬材料的剛性與柔軟材料的耐用性。

厄立克表示:「我們從大自然中汲取靈感,大自然是最偉大的設計師。研究團隊分析生物材料的結構並了解它們的原理,從而開發創新的材料;我們發現,珍珠母的硬度幾乎和矽一樣,更令人驚訝的是這種材料兼具剛性和彈性,兩全其美;珍珠母由堅硬的粉筆狀物質和高彈性的軟蛋白質組成,這種結構產生了超高的強度。」

研究團隊用玻璃薄片和丙烯酸層複製了珍珠母的結構,製作出一種非常堅固但不透明的材料,不僅成本低廉,且製程簡便。後來,研究人員逐步修正折射率,成功製造出透明的複合材料,可用來製造智慧手機或其他裝置的顯示器螢幕。

厄立克表示,有彈性的玻璃過去可能已經出現,根據古羅馬作家的記載,羅馬皇帝提比略(Tiberius Caesar)統治時期,一位發明家曾經發明出彈性玻璃,但隨後便遭到處決,因為提比略擔心這種神奇的材料會讓黃金、白銀貶值。厄立克戲稱:「我很慶幸,我們的創新材料能夠問世,而不是導致我們被處決。」

研究團隊成員阿米尼(Ali Amini)表示,接下來他們的目標,是運用人工智慧(AI)進一步改善這種創新材料,讓玻璃的顏色、力學和導電性都能任意變化,使其能夠運用的領域更加廣泛,甚至在一些產業掀起革命。



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