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
本子計畫目標在開發應用於友善農業奈米研究中心之綠色新穎材料。其中綠色新穎材料的開發包括薛涵宇與吳宗明教授在奈米高分子及陶瓷材料的製備與應用、鄒裕民與劉雨庭教授專長於土壤改質與作物生長的研究、以及何孟書教授在細胞生理反應的專長。合成新穎功能性之環境友善奈米材料，用於植物保護、禽畜病害防治與農產品保鮮之試劑開發。從材料合成、土壤改良到最終細胞反應，其應用效能及作用機制為本計畫一系列材料設計與改質技術之重要目標，希望在農業相關產業的生產上，朝自然、有機的生產方式，同時能兼顧到生產效益，可分為三主題執行，其成果如下：
(1)環境友善材料於施肥/抗菌/抗藻之應用
本主題主要在農業地膜方面，本研究利用共沉澱法製備出層狀苯基磷酸鋅(PPZn)，並藉由十六烷基胺改質PPZn(m-PPZn)使其層間距增加，選用聚丁烯琥珀酸己二酸酯(PBSA)及聚丁烯己二酸對苯二甲酸酯(PBAT)兩種生物可分解高分子，吸附雞毛粉粒製備成奈米複合材料農膜，有助於植物防蟲、抗寒與長效施肥，製備流程如圖一所示。
圖一 PBAT和PBSA與不同添加量與m-PPZn形成奈米複合材料之製備流程
本研究並與本校農藝系合作，將樣品裁切成長寬為10x10公分之薄膜進行實驗，實際農膜披覆情況如圖二所示。
圖二 PBAT和PBSA與不同添加量之m-PPZn形成奈米複合材料於土壤上披覆情形
合成不同型態之氧化鋅粉體，如顆粒狀、尖刺海膽形狀、薄片球形與長線狀四種不同型態，如圖三所示，並針對其不同型態做抗菌測試，初步研究結果顯示，尖刺海膽形狀之氧化鋅具有最佳的抗菌效果，推估原因為其特殊外型可對菌種造成物理性破壞；在表面抗藻方面，漁船或是建築物體常常因為表面藻類的生長堆積造成結構的破壞，本研究開發一表面皺摺化製程，結合聚二甲基矽氧烷(PDMS)低表面自由能的特性，達到表面抗藻的效果。
圖三 不同型態的氧化鋅SEM影像：(a)顆粒狀、(b)尖刺海膽形狀、(c)薄片球形，與(d)長線狀
圖四 (a)表面高有序之皺褶結構；(b)皺褶表面吸附PDMS達到良好的抗藻效果
(2)污染物移除劑與環境應答肥料系統
本研究主要以高分子聚合物做為模版用以合成奈米氧化鐵，並形成高分子與奈米氧化鐵的複合奈米材料。因氧化鐵為一良好的吸附劑，其表面可以對於多種重金屬污染物進行吸附，藉此達到移除水中重金屬污染物之效果(圖1)。
此外本研究亦將嘗試將高分子聚合物做為觸發反應的開關，並將其應用於環境應答混成載體應用於肥料控制釋放系統中(圖2)，希望能藉由高分子材料來合成新型態的肥料，使得肥料在施用時具有高度選擇性，只會在接觸到作物根部時釋放肥料，並藉此大幅提高肥料的利用率以降低化學肥料的施用。
圖五、優化環境應答混成載體應用於肥料控制釋放系統示意圖
(3)新穎材料於生物細胞相容性之評估
本主題主要由何孟書教授負責執行，其研究重點為探討奈米粒子的應用、化學分子與細胞的奈米機械性質。本研究使用特殊的生物原子力顯微鏡(bio-AFM)來分析奈米顆粒嵌入式支架與目標細胞生物間的相容性，此奈米顆粒嵌入式支架於仿生科技和人造器官生產具有極高的應用潛力，通過不同的製程合成多種環境/生物相容性奈米粒子,進一步使用FESEM、XRD、GID、HRTEM、EDS和各種掃描探針顯微鏡(SPM)(例如，AFM)，和其他表面分析來檢查奈米顆粒的材料特性。和其他表面分析來檢查奈米顆粒的材料特性，例如，利用水熱法生長而成的NiOx奈米盤狀結構可用於製備奈米器件，其他奈米材料如ZnOx奈米棒、MoOx奈米棒、Ag摻雜MoO3之奈米薄片，如圖六所示。
圖六 不同製程得到的奈米材料結構(a) ZnOx奈米棒，(b) MoOx奈米棒，(c)與Ag摻雜MoO3之奈米薄片
此外，我們使用光學顯微鏡、原子力顯微鏡與共聚焦顯微鏡來研究細胞膜形態、細胞骨架、增殖和細胞膜奈米力學測量的特徵，如圖七所示，探討二氧化鈦和奈米金粒子於NIH-3T3細胞中的代謝過程，做為奈米粒子安全性之評估。
圖七 TiO2奈米粒子於NIH 3T3細胞中的AFM影像
