CoreSpin：以蛋白革新換熱器，打造更高效的換熱設備

透過融合生物學與工程技術，CoreSpin 團隊正在研發一種基於蛛絲的塗層材料，可附著於銅材表面、抑制生物污垢、恢復換熱器換熱效率。該技術在銅表面鋪設一層工程化蛛絲蛋白單分子層，可降低暖通空調（HVAC）、資料中心等風冷系統的能量損耗，同時維持最佳導熱性能。

大家好，我們是 CoreSpin 團隊，由來自馬斯特里赫特大學的 14 名學生組成，成員來自 16 個國家，擁有生物學、化學、工程學、電腦科學等多元專業背景。出於好奇心，以及搭建實驗室技術與現實應用橋樑的共同願景，我們正探索生物學如何重塑工程領域。

我們的專案將生物思維帶入一個極少涉足的領域 —— 熱工程。團隊正在研發一種導熱奈米塗層，覆蓋於換熱表面，以因應生物污垢、灰塵與沉積物堆積問題。

從全新視角開展工程研發：合成生物學

合成生物學正悄然改變現代生活，從日常食品到醫用藥物，無處不在。該學科透過改造天然生物，強化其原有功能或創造全新功能。作為生物學、工程學、化學、物理學、電腦科學的交叉學科，合成生物學整合多領域知識，設計並建構具備特定用途的生物系統。

受自然界啟發，合成生物學為打造更永續的循環經濟提供創新路徑。透過融合多學科原理，我們得以重新思考材料與系統的設計方式，即便在傳統上與生物學無關的領域也能實現突破。

熱工程就是其中之一，生物理念可為該行業長期存在的工業難題提供創新解決方案。

註：改編自 Hallinan, J. S. 等人 (2019)《面向未來的合成生物學：培養下一代人才》，《工程生物學》，3 (2)，25‑31。

我們從大自然中獲取靈感，重點借鏡蛛絲的優異特性，改造可直接附著於銅材的工程蛋白，精準最佳化蛋白序列，實現最佳機械強度、導熱性能與奈米級微觀結構。

現代生活的基石：換熱器

為明確這項創新的應用價值，我們將目光投向現代生活中極易被忽視、卻不可或缺的核心設備 —— 換熱器。它用於冷卻汽車引擎、維持冰箱運轉、調控建築室溫，同時是資料中心冷卻系統的核心部件。事實上，工業生產中超過 90% 的熱能，在加工完成前至少經過一次換熱器。因此，換熱器不僅維護各類系統穩定運行，更對提升整體能源效率起到關鍵作用。

在走訪當地醫院能源中心期間，我們與技術人員、管理人員交流，了解到該領域的一大核心難題：換熱器結垢。這次交流讓我們切實認識到問題的嚴重性，也明確了專案的實際應用意義。

行業痛點：換熱器表面的細菌、灰塵與沉積物

液‑氣式換熱器將液體熱量傳遞至周圍空氣。但由於設備運行在佈滿灰塵、碎屑、細菌的開放環境中，極易產生生物污垢、腐蝕與沉積物堆積。例如，細菌會附著在導熱表面，形成黏液狀生物膜。看似微小的生物污垢，卻會大幅降低銅材的導熱性能：僅髮絲厚度的生物膜，就可使換熱效率下降高達 98%。此外，細菌會加速自然腐蝕，長期使用會破壞材料表面，使熱效率降低 20% 以上；灰塵與沉積物堆積會進一步導致導熱性能下降 30%。

這些問題疊加，會干擾換熱器正常運行、大幅降低換熱效率。為彌補效率損耗，系統需超負荷運轉，消耗更多能源，排放更多溫室氣體。

現有的清潔方式僅能短期緩解問題，且多依賴刺激性化學藥劑，存在健康風險、消耗大量資源；設備維護還會造成停機、增加營運成本。因此，企業往往選擇直接報廢老舊部件，而非維護保養，進一步加劇資源損耗與廢棄物產生。

註：改編自 Fryer, M.(2024‑07‑22)《換熱器結垢：成因、檢測與預防》，CSI Designs。

解決方案：融合自然與科技，開創高效未來

為突破現有清潔與維護技術的侷限，我們尋找兼具導熱性與自潔特性的生物材料，蛛絲成為這種多功能材料的天然範本。

蜘蛛可分泌多種蛛絲，用於蛛網的不同部位。其中 牽引絲（主壺腹絲） 備受關注。作為蛛網的承重結構，其特殊蛋白賦予它優異性能：強度堪比鋼材、韌性是凱夫拉纖維的 3 倍、彈性為尼龍的 5 倍；同時蛛絲導熱性能極佳，與銅材接近。

註：改編自 Liu, X. & Zhang, K.(2014)《蠶絲纖維 —— 分子形成機理、結構‑性能關係及前沿應用》，InTech 電子書。

蛋白與銅材表面的結合

儘管蛛絲具備出色的強度與導熱性，但其天然蛋白（蛛絲蛋白）本身無法附著於金屬，這是我們設計的核心難題。為將蛛絲特性轉化為實用塗層，我們需要讓蛋白直接錨定在銅表面 —— 選擇銅材是因其導熱性優異、晶體結構穩定。

為此，我們在蛋白序列中額外引入半胱胺酸殘基。該殘基的巰基可形成銅‑硫共價鍵，實現蛋白層與金屬表面的分子級緊密連接。這種化學鍵對聲子耦合至關重要，可實現熱量從銅材向蛛絲蛋白原纖維的傳遞。若無此連接，金屬與蛋白層之間會存在微觀間隙，滯留空氣，使塗層變為隔熱層，喪失導熱功能。

除維持高效導熱外，這種共價連接還可建構奈米級表面結構，賦予塗層抗菌能力。

自潔原理：微觀形貌殺滅細菌、阻隔灰塵

蛋白成功附著於銅表面後，我們進一步透過工程設計最佳化其結構，拓展附加功能。透過調控塗層的奈米級微觀形貌，複製天然表面特性，在維持導熱性能的同時，抵禦細菌滋生與汙染物附著。

我們再次從自然界尋找靈感 —— 蜻蜓與蟬的翅膀。這類昆蟲表面具備奈米結構，依靠尺寸排斥原理天然抵禦細菌附著：當表面微觀結構尺寸小於細菌時，細菌可附著的面積大幅縮減。

其翅膀佈滿垂直於表面的有序奈米柱陣列。細菌嘗試附著時，奈米柱會拉伸、刺破細菌細胞膜，導致細菌裂解死亡。這種純物理機制，讓我們的奈米塗層無需化學藥劑、抗生素即可實現抗菌效果。

註：改編自 Oopath, S. V. 等人 (2022)《仿生奈米結構表面調控細菌附著與生物膜形成》，《先進材料介面》，10 (4)。

研究推測，灰塵與沉積物也受此原理影響：有序奈米柱結構阻礙汙染物沉降，使表面具備自潔效果。

原型搭建：真實場景測試平台

基於天然奈米結構的研究成果，我們搭建實驗裝置，製備生物工程塗層原型，在模擬真實換熱器的可控條件下，定量評估塗層的導熱性、抗結垢性與抗菌性能。

實驗裝置用於測試三種狀態下銅換熱板的熱傳遞效率：

未處理的純銅板

滋生生物膜的銅板

塗覆改性蛛絲蛋白的銅板

實驗旨在模擬液‑氣換熱器的真實結垢環境，測試表面塗層對熱性能的影響。

整套實驗裝置分為三部分：量熱系統、專用換熱器蓋板、氣流與環境控制系統。

量熱系統

量熱杯是基礎熱力學實驗設備，由隔熱材質製成，做為本實驗的主要儲熱容器。實驗時向杯中注入 100℃熱水，測量區間為 80℃‑40℃，保證初始熱梯度穩定。

精度 ±0.1℃的溫度探頭浸入水中，持續監測、記錄水溫；杯體透過專用蓋板密封，減少蒸發散熱，同時做為水與環境空氣的換熱介面。

精度 ±0.1℃的温度探头浸入水中，持续监测、记录水温；杯体通过专用盖板密封，减少蒸发散热，同时作为水与环境空气的换热界面。

換熱器總成

我們將蓋板總成設計為模組化熱傳遞介面，適配真實換熱環境下的蛋白測試，由 3 個精密加工部件組成：

15 根 84 毫米 M4 螺紋鋁棒：負責將水體熱量傳遞至蓋板表面。鋁材導熱性與性價比優異，可實現快速、低成本實驗。

客製加工鋁製蓋板：預留 15 個鋁棒螺紋介面，頂面銑出 6 條導軌，保障鋁棒與換熱板之間高效換熱。

6 塊 1 毫米厚銅換熱板：安裝於導軌內，將熱量從蓋板傳遞至環境空氣。銅材的晶體結構可與蛋白穩定結合，保障熱量傳導。

鋁棒、蓋板、銅板的所有接觸面均塗佈導熱矽脂與高溫膠，最大限度降低介面熱阻，提升導熱效率。

設計理念與限制條件

蓋板設計兼顧可製造性與模組化；受專案資金限制，優先選用五金店可採購的量產通用材料，僅蓋板需客製 CNC 加工，便於有限資金下的複製與規模化生產。

核心設計考量：

• 適配標準量熱杯，保障熱密封：設計外徑 100 毫米、內凹底座 75 毫米的雙直徑介面，實現緊密貼合，減少熱量損耗；
• 底部排布鋁棒陣列，保障熱量從流體穩定向上傳導至導熱蓋板；
• 銅板數量可調節、可更換，支援多塊平行排布測試。

實驗設計

銅板做為測試基材，用於評估抗結垢、導熱蛋白的性能，分為三組：

空白對照組：不做任何處理

汙染組：人為培育生物膜、沉積汙染物，模擬真實工況

塗層實驗組：塗覆工程化蛋白，對比實際導熱效率與抗結垢能力

這種模組化、熱力學最佳化的設計，可定量評估生物塗層對換熱性能的影響，是研發永續、高效仿生換熱器材料的第一步。

氣流與環境控制

整套換熱總成置於密封塑膠艙內，減少意外誤差；整體放置於通風櫥，穩定濕度與進風溫度。艙內安裝直流軸流風扇，加快空氣流經銅板，模擬真實強制對流工況。

風扇與導熱銅板之間佈設兩個監測感測器，保障三組子實驗環境一致：溫度感測器監測進風溫度，壓力感測器驗證恆定體積流量。

該配置可量化空氣側吸熱量，同時保證各組實驗邊界條件穩定。

CoreSpin – 原型裝配裝置

從原型走向實際應用

目前，我們已成功表達工程蛋白，並實現蛋白與銅材的穩定結合。下一階段，我們將評估奈米塗層的抗菌性能，驗證技術可規模化應用的可行性。

藉助模組化原型系統，測試塗覆後銅板的導熱性能，在可控氣流、濕度、結垢環境下模擬真實工況，量化對比未處理、結垢、塗覆蛋白的銅材在換熱效率、抗結垢性、耐用性上的差異。

最終，我們計畫將蛋白塗層應用於全尺寸換熱器，在真實系統中驗證熱性能，實現暖通空調、資料中心的落地應用。CoreSpin 團隊希望將全新生物解決方案帶入傳統熱工程領域，以創新技術賦能高效節能的未來。