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瞭解原理

小小的壁虎在天花板上行走時,為什麼不會掉下來?答案是凡得瓦力(Van der Waals force)效應。凡得瓦力是分子間的正負電荷吸引力,凡得瓦力非常小,但壁虎的每一隻腳掌上,都佈滿數百萬根直徑約200 ~ 500奈米的剛毛,當數百萬根奈米尺寸的剛毛一起作用時,吸附力就非常驚人了,最大可達120公斤。

小小蜘蛛絲,它的結構可不簡單。一條蜘蛛絲上,可能同時具有兩種以上不同的結構,一條蜘蛛絲,一般來說,是由數十到百條奈米結構結晶蛋白質纖維纏繞而成的,具有高彈性、高強度及黏性,可說是世界上最強的生物纖維。

在消化系統中,小腸是吸收營養最重要的器官,人類的小腸內壁佈滿了皺摺及手指狀的絨毛,絨毛上又覆蓋一層直徑90 ~ 100奈米的微絨毛,這樣的結構使得小腸的表面積增加許多,總吸收面積可達300平方公尺。

除了這些外,在黑夜中看起來異常漆黑、不會反光的蛾眼,大小在80 ~ 140奈米的SARS病毒,攜帶遺傳密碼、直徑只有2奈米的DNA,都是大自然的奈米級的結構。

其它奈米結構的原理


壁虎在天花板上行走,依靠的是凡得瓦力,凡得瓦力是指存在於分子間的正負電荷吸引力。壁虎的腳趾上有百萬根的角蛋白質毛髮(keratinous hairs),稱為剛毛(setae),相當於300萬根/平方英吋,每根長大約為人髮直徑之2倍,且其尖端具有仿壓舌片構造(spatula-like structures)之微細纖毛(spatulae),約400 ~ 1,000根,長約200 ~ 500奈米。每根纖毛只能提供很小的吸附力,但是數百萬根細毛一起作用的話,其吸附力最大可以達120公斤。

構成蜘蛛絲的材質,只是簡單的幾種氨基酸構成的蛋白質,一條蜘蛛絲上,可能同時具有兩種以上不同的結構。比如說,直徑約5奈米的規則排列結晶,構成了具高強度的纖維,而另外一種不規則排列的結晶結構,又構成了具高彈性的纖維。一條蜘蛛絲,一般是由數十到數百條奈米結構的結晶蛋白質纖維纏繞而成的。

小腸絨毛是指小腸內壁黏膜上的指狀突起,它們的工作是將吸收消化完畢的食物,再由絨毛內的微血管及乳糜管送到身體的每一個部位。用電子顯微鏡觀察,每個絨毛上的表皮細胞,都有數千根突出的微絨毛,微絨毛高度只有約30奈米,它們大大的增加了小腸和食物的接觸表面積,讓食物中的營養能被充分吸收。

壁虎腳上的棘毛放大圖
壁虎腳上的棘毛放大圖,每一棘毛約為200nm至500nm。


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