研究成果

(2021年成果)
子計畫四：友善環境農業新穎材料研發與安全評估
主持人：薛涵宇
團隊成員：鄒裕民、何孟書、吳宗明、劉雨庭

一、子計畫推動重點、成果與特色亮點

1. 為了因應日趨增加的糧食需求，在環境保護與農業增產的平衡當中，本計畫主軸為開發高價值化奈米農業材料，並評估其應用性。本計畫目標在開發改良連作障礙之生物碳。在循環農業中，需考量農業廢棄物之循環再利用，而生物碳可作為一種農業廢棄物再利用之形式，且兼具固碳之能力。本計畫更結合植物化感物之分泌以及微生物之概念，將生物碳作為特殊之土壤改良劑用於作物之連作障礙，且證實在少量施用時即可減輕芹菜之連作障礙，所合作之福建農林大學之實驗室亦證實可減輕中藥材太子蔘之連作障礙。藉由確切機制之探討，未來或可利用其他農業廢棄物製作類似之生物碳材料，並應用於更多具連作障礙之作物。
2. 奈米結構的氧化鋅適用於永續農業發展的一種材料，基於其獨特的性質，其具有顯著的潛力可以減少有害化學農藥的殘留，也可因應安全有機食品需求的日益增長。由花狀氧化鋅逐步取代化學殺菌藥劑使用，由先前的研究計畫成果顯示，花狀氧化鋅能利用特殊尖刺結構表現出優異的抗真菌活性，從掃描式電子顯微鏡也觀察到，花狀顆粒的奈米結構對植物病原體造成明顯的機械損傷。為了降低有害環境之化學殺菌劑的使用，並維持有效的抗菌功效，以市售相同或更佳之殺菌功效為目標，以特定比例調控化學抗菌劑及氧化鋅含量，並進行抗菌實驗，了解達成相同功效下，取代化學殺菌劑所需的花狀氧化鋅使用量。
3. 為解決水中汙垢生物附著於船舶等水下器具表面，造成嚴重的經濟、環境等影響，因此以「仿生」概念提出新的解決方法，藉由觀察棲息於複雜環境之兩生動物—青蛙，模仿其柔軟能起皺之皮膚構造，並產生黏滑液體的特性，完成抗水中生物附著表面之開發。具有奈米孔洞的皺褶表面注入環境友善潤滑液，形成如同青蛙皮膚構造之抗汙垢生物附著表面。此表面具有「類流體」特性，能使藻類不易附著，此概念成功開發有效的抗汙垢生物附著表面，本計畫以開發可大面積施作於物體表面之抗藻塗料為目標，透過預防藻類附著於物體表面，減少殺生劑使用，用以解決汙垢生物的表面附著具有相當的潛力。

(一)人才培育面向

1. 參與學生人數14人，110年共培育碩士，博士共計11人，延攬研究助理3名。材料系薛涵宇副教授指導材料系參加2021年功能性材料研討會暨科技部專題研究計畫：學生陳亭綸獲得有機組英文口頭報告第一名、學生陳易辰獲得有機組海報競賽優勝、學生簡志軒獲得有機組海報競賽優勝；材料系薛涵宇副教授指導材料系學生參加國立中興大學理學院科技論文競賽：博士生陳亭綸獲得物理領域第二名、博士生陳易辰獲得化學領域佳作；材料系薛涵宇副教授指導材料系大學部專題生吳佳穎獲得大專生研究計畫補助；材料系薛涵宇副教授指導博士生陳亭綸參加國立中興工學院研究生論文競賽獲得佳作獎; 材料系薛涵宇副教授指導材料系大學部專題生張夢湲參加國立中興大學工學院專題研究成果競賽獲得優等獎；材料系薛涵宇副教授指導材料系學生陳亭綸參加2021年材料年會(MRSTIC-2021)國際研討會獲得Advanced Functional Materials英文海報展示第一名；材料系薛涵宇副教授指導材料系博士生陳亭綸於「臺灣綜合大學系統」年輕學者創新研發成果選拔博士後研究員及博士級研究生組榮獲佳作獎。

2. 劉雨庭副教授陳函鈺同學榮獲2021科技部大專生研究創作獎，的計畫「利用同步輻射技術建立天然高分子優化奈米材料控制釋放磷肥之機制」。
3. 薛涵宇副教授團隊以『蛙類皮膚啟發之仿生水下抗生物污垢附著表面塗層』參賽第十八屆國家新創獎-學研新創組，並於110年度榮獲於第十八屆國家新創獎。

(二)學術研究面向

1. 材料與科學工程學系薛涵宇副教授研究團隊，受到青蛙柔軟可起皺並有滑液披覆的皮膚啟發，以「仿生」概念成功開發全球首創由奈米孔洞結合皺褶紋理之滑液注入抗生物附著表面，此表面經實驗證實，除了優異的抗生物功效，亦可長效使用、具高透明度、抗冰、抗汙等特性，極具產業應用潛力。研究成果已發表於Advanced Functional Materials IF: 18.808，Rank: 4%，並選為當期補充封面故事，開啟仿生皺褶材料之研究新領域，單一組成乾式黏著研究刊登於國際界面指標期刊。《論文連結》

2. 劉雨庭、鄒裕民教授之研究成果發表於Chemical Engineering Journal IF: 13.273，Rank: 2%，廢棄飲料鋁罐移除新興無機汙染物，可在汙染物移除與資源回收再利用中雙贏，確保土壤與水資源健康，達到環境永續。《論文連結》

1. 劉雨庭副教授獲得科技部吳大猷先生紀念獎計畫經費補助，預計完成研發以溫泉紅藻(Galdieria maximum, Galdieria partita, Cyanidium caldarium, and Cyanidioschyzon merolae)為基質與鐵所形成之創新生物複合材料，鐵的複合除了可強化溫泉紅藻吸附重金屬及新興污染物(Cr、As、Tl)之能力外，更可催化污染物之氧化還原反應，使金屬轉為毒性較低的價態，且藻類可同時作為鐵奈米顆粒之穩定劑，以促進奈米顆粒對於金屬之氧化還原能力。溫泉紅藻還能於好氧與厭氧環境下，透過生物Fe(II)氧化來增強Fe凝結劑(如氯化鐵)沉澱。此外，使Fe(III)沉澱成核所分泌的細胞外有機聚合物也可以用作生物絮凝劑，從而減少混凝劑的用量以及隨後產生的污泥，這些新穎的綠色材料同時具備生物和化學廢水處理的優點與潛力。
2. 薛涵宇副教授成功申請中華民國發明專利“超疏水奈米表面結構的製備方法及超疏水奈米表面結構” 公告號: I731649。

1. 確認造成芹菜連作障礙之化學交感物質，以及所開發之特製生物碳(WP400，具高度酚酸吸附能力)降低連作障礙之主要機制。
2. 逐步以花狀氧化鋅取代化學抗菌藥劑使用量，實現材料開發之於友善農業價值。延伸仿生皺褶結構之抗藻塗層，開發可大面積施作於物體表面之抗藻塗料，透過預防藻類附著於物體表面，減少殺生劑使用，積極向外推廣研究成果增加曝光度，吸引產學合作，可協助了解產業需求，以及研究成果在真實應用時的不足之處並加以改進。