以冷凍鑄造技術合成仿生多功能孔洞材料，具多階層連續孔洞和生物相容性，可應用於油水分離、生醫骨材、重金屬吸附等領域。本團隊以矽藻土為陶瓷粉體製備奈微米多階層孔洞材料，具有高油水分離效率。以台灣鯛魚鱗獲取氫氧基磷灰石製備之多孔材料，不具細胞毒性且利於骨細胞生長。亦可用於重金屬汙水處理，可在短時間內移除超過99%的鉛離子。冷凍鑄造技術成本低、環保且可合成多功能孔洞結構材料，極具產業應用潛力與前瞻性。
本文將從以下大綱，介紹多種以冷凍鑄造法合成仿生多功能孔洞材料之應用。
‧仿生複合材料的發展
‧生物材料
‧冷凍鑄造法
‧多階層孔洞矽藻
‧矽藻土之油水分離
‧魚鱗粉多孔材料
【內文精選】
自然界的生物由碳、氫、氧、氮、磷、鈣等常見豐富的低原子序元素所組成，經過數十億年的演化，發展出具成分簡單、結構有序、功能多樣的生物材料。人類可以透過工程學的知識，選擇多元的材料、適合的工業製程，並以生物結構的靈感設計出多階層孔洞結構之仿生複合材料，師法自然可望為工程帶來革命與創新。
冷凍鑄造法
冷凍鑄造法(Freeze Casting Method)是常用於製備仿生有序連續孔道複合材料的新興方法，於仿生領域中常被研究製作仿骨骼結構。以固定冷卻源的方式提供特定方向的驅動力，於水凝結成冰的過程將陶瓷粉體推擠，形成冰晶陶瓷交錯的有序結構，於低溫低壓環境使冰晶昇華，再於高溫環境燒結成塊。此多孔材料具有結構異向性，呈現有序板狀且連續開放的形貌，其平行於冰晶成長方向的具有較強的機械性質，為硬且脆的特性，有些研究透過添加高分子於孔洞內部以提升裂縫折彎等韌化機制，進而大幅提升其韌性與機械強度。冷凍鑄造法所形成的坯體，如圖三(a)所示，從下而上主要分為三種結構：緻密層、多孔層、板狀層。
圖三、(a)冷凍鑄造法形成的多孔材料結構示意圖；(b)冰晶成長方向示意圖
矽藻土之油水分離
近年來環保意識抬頭，含油廢水的處理是一個越來越受重視的議題，從民生廢水、石化工業甚至船隻的漏油事件均可窺見其重要性。然而現今的油水分離(Oil/Water Separation)技術大部分仍受限於分離效率差、成本高、二次汙染等問題。以矽藻土作為原料並搭配冷凍鑄造法形成多階層孔洞的矽藻土，製備成薄片，此開放孔洞貫穿試片的兩端，有助於液體流過。利用矽藻土本身極具親水的特性，在有水環境形成水膜，進而阻擋油穿透過去，達到油水分離的效果。具水膜的薄片會阻擋油滴的滲入，將浸溼的薄片放入油液中同樣能使水膜保持形狀，讓油無法滲入（圖六）。
魚鱗粉多孔材料
魚鱗主要由氫氧基磷灰石與膠原蛋白及其他有機物所組成，在台灣每個月會產生80~100噸的廢棄魚鱗，許多廠商會將魚鱗的膠原蛋白萃取出來製作成商品而留下為數不少的魚鱗粉。本研究與雲林口湖漁業合作，使用台灣鯛的魚鱗當作原料提升其附加價值。氫氧基磷灰石同時也是人體骨骼的無機成分，用於生醫材料上理當具有廣泛的應用潛力。
生物廢棄物—魚鱗粉當作氫氧基磷灰石的來源，搭配冷凍鑄造法製備出氫氧基磷灰石的多孔材料，形成的孔洞能夠提供生物細胞生長所需的空間。氫氧基磷灰石多孔材料可以使骨細胞成功的生長，並且不具生物毒性（圖九），骨細胞會沿著冰晶形成的空缺生長。生物光密度(Optical Density)的觀察結果顯示，由於此多孔材料的比表面積高於控制組…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、(a)骨細胞成長於氫氧基磷灰石多孔材料之流程圖；(b)骨細胞成長比較圖
作者：陳柏宇、張皓凱、董丞哲、許哲妮／國立清華大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」383期，更多資料請見下方附檔。