【科學講堂】蛋白質製玻璃 高效兼自我復原

◆ 製作常見的玻璃需要先將材料加熱到高溫，再冷卻下來。 網上圖片

◆ 石灰岩是用於製作玻璃的材料之一。 網上圖片

◆ 食鹽晶體　網上圖片

材料科學是一個發展很快，對社會有極大影響的科研領域，科學家們運用對物理、化學或是生物學的最新知識來製造出新的物料，致使它們有新的，甚至以前無法想像的特質。近日，研究人員製造出可以自己復原的玻璃，今次就和各位分享一下。

玻璃僅物料結構狀態

玻璃在現今社會被普遍利用，大家亦應該十分熟悉。不過，玻璃究竟是什麼？

從材料科學廣義的角度來看，玻璃其實是一種物料結構的狀態，並不只局限於某一個特定的化學成分。一些化學品的分子會整齊地排列在一起，變成晶體，比如說我們用來調味的食鹽，就會結成四四方方的晶體。從這個方面來說，玻璃正好與晶體相反，玻璃裏的各種成分都是不規則地混合在一起，並沒有固定的規律。

如果物料從高溫冷卻下來成為堅硬的狀態後，其中的成分並沒有形成固定的結構，那麼這個物料就很有可能是一種玻璃。我們常見的玻璃，主要的成分是砂粒、石灰岩和碳酸鈉，但其他的材料也可以造成玻璃。

上面提到的常見玻璃原料，成本都不高，但已能製造出實用又美觀的玻璃。不過，這並不代表我們沒有開發其他種類的玻璃的需求。

比如，砂粒來源不一定穩定，當羅馬帝國衰落的時候，歐洲暫時缺乏固定的砂粒來源，玻璃技術的發展一度停步不前；在二次世界大戰的時候資源短缺，也讓當時的玻璃生產面臨困難。而且，現在玻璃的製作需要先將材料加熱到高溫再冷卻下來，會用到不少能量，因此在關注可持續發展的現代，能夠開發出一種不需運用高溫生產的玻璃十分有吸引力。

利用蛋白質來製作玻璃是一個很有潛力的可能性，蛋白質在大自然隨處可見，我們對這種生化分子也有頗深的認識。蛋白質的可塑性高，可以形成不同的分子結構，展示各種功能和特徵。

近日，有研究人員利用由3個氨基酸組成的、較短的蛋白質來製造新的物料（這些較短的蛋白質又被稱為肽），當這種肽溶液中的水分慢慢蒸發，剩下的肽就會自行組織成透明的玻璃。

這種玻璃還有一種自我復原的特性，乾燥的時候，這種玻璃會較脆及出現裂痕；但在潮濕的環境中，它可以吸收附近的水分，回復原狀並消除裂痕。

原來，這是因為肽分子會跟水分子形成氫鍵 (hydrogen bond)，所以能夠消除裂痕，讓本來分開的部分重新連接起來；反之，乾燥的環境中缺乏水分，這種玻璃無法形成氫鍵，因此就會變得較脆。

這種玻璃的製作方法還有一個好處，就是比傳統玻璃的製作方法更靈活，能夠大大提高製作玻璃製品的效率。比如製作鏡片，以往要先從一大片玻璃中切割出不同形狀的鏡片，但這種新玻璃的原料是肽溶液，所以我們可以把這種溶液放進適當的容器中，將水分蒸發後就能夠製成鏡片。

小結

材料科學的發展讓我們能夠用上更理想的材料，改善我們的生活。科學家們還在繼續了解物料的結構和不同成分之間的相互影響，未來可以期待更多神奇材料的誕生。

◆杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。