魏宇昆 / 工研院材化所
一、前言
2024年MRS春季研討會涵蓋以下主題，具影響力的多元議題(BI)、電子、光學與光子學(EL)、儲能技術(ES)、材料理論、計算與資料科學(MT)、量子材料與材料物理(QT)、結構與功能性材料(SF)、分析測試與鑑定(CH)、能源與轉換(EN)、製造(MF)、奈米材料(NM)、軟材料與生物材料(SB)等，本文針對功能性材料應用、材料永續及機器學習於材料研究應用相關發表內容進行彙整。
在材料應用技術部分，包含超疏水塗料的自我修復的可行性、雙離子材料於改善生醫材料生物相容性與抗海生物塗料的應用潛力，以及採用奈米纖維素纖維製作冷凍凝膠取代二氧化矽氣凝膠為超低熱傳導材料，其具有足夠的強度，無須超臨界乾燥的方式製作，使大面積製作更為可行。
在永續材料技術部分，材料回收再處理是目前處理廢棄物的主要方式，現況多為降級循環(Down-cycling)再利用，除經濟價值低之外，如何去化也是一個重要問題。未來處理廢棄物的思考方向，應逐漸轉向升值循環(Up-cycling)，將廢棄物轉變成具有更高經濟價值的化學品或產品，如何將生質廢棄物轉化成高值化學品，例如聚乳酸、乙醇酸等生質原料，亦可轉化成應用在產氫催化劑中的光吸收劑。目前工業廢塑膠仍是主要的廢棄物來源，各界嘗試將其回收成具有再加工性的永續材料，在本次研討會可看到許多相關的研究成果，並已整理於本文之中。
最後，有關機器學習與人工智慧在材料領域的應用，以及常聽到的各種演算法、機器學習模型，可用來輔助材料的開發與設計，甚至從上萬篇文獻中提出的候選材料，能快速篩選出可能的最佳材料。本次研討會中收集這些材料研究人員選用的機器學習平台工具，提供各位未來材料研究開發工作參考，希望可藉由相關學者的經驗快速進入這個領域並駕馭此新方法。
二、 功能性材料應用技術
2. 用於高性能手套的可拉伸石墨烯薄膜的滲透行為
講者：Zidan Yang /布朗大學
講者探討可拉伸石墨烯薄膜的滲透特性，並研究將其應用於高性能手套的可行性。石墨烯薄膜具有出色的分子阻隔性能，但氧化石墨烯(GO)薄膜缺乏水穩定性和足夠的機械強度，無法直接應用於手套。如圖三所示，研究團隊研究了三種改善方法：高含量GO-聚合物複合材料、嵌入式結構、預先皺褶形成具拉伸性GO塗層，以提升薄膜的機械強度和穩定性。
圖三、可拉伸石墨烯薄膜三種改善方法
研究團隊也測試了這些改良薄膜對水、己烷和甲苯等不同極性分子的滲透性，確定幾種兼具良好阻隔性、透氣性和機械穩定性的配方，適合應用於高性能手套。開發具水穩定的預皺GO塗層賦予未經改性的GO或GO-聚合物複合材料可拉伸性。如圖四所示，未預褶皺的GO膜在拉伸時會出現裂紋，而進行預褶皺的GO膜在拉伸時可逆伸展而不會受損。未來將進一步探索更廣泛的材料和製造技術，以實現大規模的生產和應用。
3. 開發高度生物相容性超抗污兩性離子材料
講者：江紹儀教授 /康乃爾大學
江紹儀教授研究團隊介紹高度生物相容性的超抗污垢附著兩性離子材料最新研究進展，對於許多應用來說是很重要的挑戰。兩性離子材料表面可以有效抵抗複雜介質中的非特異性蛋白質吸附和微生物附著。兩性離子材料是一種超親水性的材料，主要的兩性離子材料包括聚(磺基甜菜鹼)、聚(羧基甜菜鹼)和聚(三甲胺 N-氧化物)，均富含甘氨酸鹼，這些材料存在豐富，在人類、動物、魚類和植物中都能找到。還有一些其他兩性離子材料，如混合帶電的麩胺酸(E)和離胺酸(K)的聚肽肽段和具有功能性的聚(兩性離子PS)、一種氟化的兩性離子材料等。這些兩性離子材料在醫療植入物應用、不分化條件下進行幹細胞擴增、對蛋白質-聚合物不產生抗體、血液接觸設備不需要抗凝血劑、抗污垢/抗微生物醫療設備、具耐久性的海洋塗層等方面，均展現優異的……
圖五、具有效去除Ulva孢子和矽藻的表面材料
三、永續材料技術
1. 利用電力將廢棄物轉化為高價值化學品
講者：Magdalena Titirici /英國倫敦帝國學院
Magdalena Titirici介紹將甘油、5-羥甲基糠醛或PET等廢棄物，轉化為高價值化學品的最新進展，包括乳酸、呋喃二甲酸(FDCA) 和乙醇酸在內的化學品，以及生產氫氣的替代方法。該研究團隊亦開發將塑膠廢物轉化為高價值化學品和氫氣的方法，統整如下：
生質柴油：甘油→乳酸→聚乳酸
塑膠廢物：對苯二甲酸+乙二醇→乙醇酸
植物基材料：5-羥甲基糠醛(HMF)→呋喃二甲酸(FDCA)→聚乙烯呋喃酸酯(PEF)
以上過程中均可產生副產品綠氫，而其中亦可有高值化學品產物的應用，包括聚乳酸可用於製造生物可降解塑料、乙醇酸可應用於化妝品中的面部護理產品、聚乙烯呋喃酸酯(PEF)可完全回收做為塑料瓶。
研究團隊將廢棄物甘油進行電催化生產乳酸，並探討鉑鎳合金對甘油氧化的電催化性能的影響，以及使用鎳基催化劑去除CO的效果。電解製氫的挑戰關鍵在於鉑的高用量和不穩定，純鉑催化劑無法高選擇性地將甘油轉化為乳酸，主要產物仍為醋酸等過氧化物。研究團隊採用鉑鎳合金改良甘油氧化的電催化性能，可將甘油電轉化氧化為乳酸，如圖七所示，具有從低價值廢棄物中選擇性生產高價值商品化學品方面的潛力，甘油電解可以同時生成乳酸和綠色氫氣，提供了一種更具吸引力的連續生產路徑 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、利用鉑和金屬氧化物串聯效應，選擇性地將甘油轉化為乳酸