用DNA也能做感測器、太陽能電池清大光感技術獨步全球

【發布日期】: 2018-1-23 、2018-12-13

從物聯網時代最需要的感測器，到綠色能源所需的太陽能電池，都能用DNA製作而成，國立清華大學電機系、光電所教授洪毓玨研究團隊開發出全球首創的「光感DNA奈米複合物技術」，萃取魚的DNA製作出光電材料，可應用在光電元件。

洪毓玨研究團隊獲得科技部支持與補助，成功開發出全球首創的「光感DNA奈米複合物技術」，進而建立全台唯一天然DNA材料製程平台，逐步製作出DNA光電元件，昨日到科技部進行成功報告，此技術已經取得美國與台灣專利，洪毓玨的研究更登上物理學界權威國際期刊「APL」，成為創刊50年特刊，近年最受矚目突破性研究中唯一入選的台灣研究。

國立清華大學電機系、光電所教授洪毓玨研究團隊開發出全球首創的「光感DNA奈米複合物技術」。照片來源:自由時報（記者簡惠茹攝）

洪毓玨教授亦已於2018年初榮獲得106年吳大猷先生紀念獎，洪教授跨界結合生化、材料、化學、奈米、電機領域，極富創意的發想與傑出的研究成果，表現亮眼。

國立清華大學電機系、光電所教授洪毓玨研究團隊開發出全球首創的「光感DNA奈米複合物技術」。照片來源: 自由時報（記者簡惠茹攝）

「製作光電元件的材料有很多種，卻很少有人想到要用生物DNA分子來做為素材。」洪毓玨教授說，「其實生物DNA不僅量多易取得，分子也有很多特性可利用。」近年科學家已經累積了許多DNA相關技術，並且大量應用在生化、奈米科技上，但卻尚未被廣泛運用在光電領域中。自然界中有很多可萃取出大量的DNA的資源，魚是其中一種，為相當平易近人的素材。

目前感測器、太陽能電池等光電元件都是以半導體材料矽為主，洪毓玨表示，研究團隊從容易取得的材料魚卵、魚膘萃取出DNA後，但是不侷限在魚類，動植物DNA都能應用，萃取比例約百分之10，團隊研發出一系列新型界面活性劑改質DNA分子和創新的製程技術，進而開發出與傳統高分子製程相容的DNA生物有機光電材料。

洪毓玨指出，DNA光電材料可以應用在奈米到微米等級光學薄膜和光電元件製作，以及太陽能電池、感測器及發光元件等光電應用，實驗室也以DNA材料製作出記憶體元件，還能用於一般生質材料使用的包裝，應用範圍相當廣泛。

洪毓玨教授以「主人、客人」比喻，DNA就像主人，具備發光或非線性等特性的材料分子就像客人，有趣的是，這些「客人」分子因為與DNA上某些官能基的交互作用，他們會自動「卡位」在DNA的某些位子上，因此DNA的雙股螺旋結構就像衣架一樣，當發光染料分子各自「卡位」在DNA結構這衣架上，就不會都聚在同一位子上成團。當染料分子分布平均，即有助於提升元件效率，未來可應用在在雷射科技、太陽能電池的研發上。

除了製作成光電元件以外，洪毓玨教授團隊還將DNA分子與金屬離子如金、銀、銅結合，這些金屬離子也會在DNA的特定位子上附著，再結合照光引發還原反應，將金屬離子還原成奈米粒子，成為一種新的複合材料，具有電、光特性，是相當新穎的光電元件材料

過去科學家一直在找尋如何使光電元件品質更好、製程更有效率的研發方法，洪毓玨教授團隊從原料萃取、材料合成、鑑定，到元件發想、製作、量測等一條龍的研究，結合DNA生物高分子與奈米技術，研發出高效率光電元件製程方法，洪毓玨教授的創新研究曾獲Nature Photonics、美國物理聯合會(American Institute of Physics, AIP)、IEEE Spectrum等多個國際期刊、媒體與網站報導，並獲選Applied Physics Letters 創刊五十周年特刊之50篇代表研究之一，為”近年最受注目的突破性研究(most notable APL articles that present ground-breaking research in recent years)”，洪毓玨教授團隊的論文也是台灣唯一入選的論文，代表其研究具備濃厚的創新性與突破。

「頭都洗下去了啊！」談起為何想到要用DNA製作光電元件，洪毓玨教授笑說，剛從德國回國至清華任教時，就在思考可以做什麼研究主題。由於洪老師在美國UCLA念博士班時研究領域是光通訊與高速調變器，當時元件的材料需仰賴有長期合作的化學系幫忙合成，因此回國後不論是材料來源或是昂貴高頻儀器的取得，對剛起步的菜鳥都很困難，讓她開始思索是否跳脫原研究領域，嘗試找尋新研究主題。「那時在閱覽文獻時，看到討論用DNA來做元件的文章，就覺得非常有趣，是值得深入研究的主題。」洪毓玨老師說。

然而，當時台灣幾乎沒有人拿DNA做光電元件，洪毓玨老師自己也還沒有DNA和材料合成製造等相關背景知識，「若要做這項研究，就是要砍掉重練了。」為了確認DNA是否真正能作為製作光電元件的素材，洪老師閱讀大量文獻的同時也帶學生遍訪國內各領域實驗室「取經」；洪老師實驗室的學生分別「駐廠」至國內各領域實驗室學習技術，再返回團隊將習得的知識一起「合併」應用。「這些東西對他們來說都很簡單基本，對我們來說卻都是全新的技術。我們跟不同領域的人學習討論，不僅學了新技術，對於思考、解決問題上都有很多的啟發。」洪老師說。

↑洪毓玨老師團隊從市場買回來的魚萃取DNA的過程(上圖)，得到如纖維狀的DNA原料(下圖)，研究生物DNA作為光電材料的特性與元件應用。

洪毓玨老師說，她非常感謝這些學生，擔負起至各領域學習的任務。當時有學生分別前往生科系、化學系、材料系等，學習萃取生物DNA、材料合成、鑑定、成膜技術、薄膜光電特性量測等，這些學生不僅認真的學習了不同領域的技術，也要內化後回來互相教導團隊這些技術。最後從DNA原料萃取到光電元件完成的完整研發過程，可以在洪老師實驗室全程獨立完成，「有機光電領域如果可控制材料源頭，對於研究進程的掌握跟元件設計與最佳化是非常關鍵的! 」洪老師說。

在DNA光電的研究過程中，洪毓玨老師同時對於DNA這種旋性介質與光的交互作用很感興趣，「DNA具有雙股螺旋結構，這樣的螺旋介質或結構與光到底會如何交互作用呢?」於是洪老師近年的研究進一步從DNA的雙股螺旋結構出發，探討具旋性結構介質的光學特性，例如研究電磁波在單股、雙股、左旋、右旋的奈米螺旋結構中如何作用，並探討這些現象的機制與在光電元件上的應用。「把這些結構排列後，可以顯現光子晶體或超穎材料特性。」洪老師說。

以光子晶體為例，光子晶體可讓特定波長的光反射或通過，就像某些蝴蝶的翅膀一樣，當肉眼看到蝴蝶翅膀在陽光下閃耀特殊顏色時，其實是蝴蝶翅膀上的光子晶體特性讓某些特定波長的光反射 (參見彩蝶效應原理: http://nano.nstm.gov.tw/NaturalPhenomenon/ButterflyEffect/UnderstandingButterflyEffect.htm)。為了可以預測各種結構的效應，洪老師建立了光學模擬平台，可以預測各種奈米結構的光學特性。「建構這樣的模擬平台可以讓我們了解各種結構造成的光學效應，進而可藉由調整結構或材料參數以達到預期的效能，對於應用這些介質或結構是非常重要的。」洪毓玨老師在奈米結構光學特性上面的研究同時有機會與化工系何榮銘老師進行跨領域的合作，成果榮登Advanced Materials(先進材料)期刊封面，期刊特別用蝴蝶圖片與結構來呈現這項精彩的跨領域研究成果。

對於年初時獲得吳大猷先生紀念獎，洪毓玨教授說，這是對當初她回國後選擇投入新領域的肯定與鼓勵，她同時要感謝太多的人，包含提供協助與一同合作的各領域教授與研究團隊、光電所上與電機系上同仁、自己的學生們，還有家人各方面的強力支持，讓她在壓力中仍能持續帶領研究團隊堅持下去。另外也感謝科技部的支持與清華大學獨立自由的學術風氣，不限制教授研究方向，讓她可以自由的發想、執行這些跨領域的研究。「因為實驗室所有的技術從零開始，一開始花了很多時間從錯誤中學習，對於新進老師來說必須要在有限時間內有產出，壓力真的很大。雖然時間的壓力讓人相當煎熬，但我們還是堅持下去了！」

一般人認為跨領域研究不容易，洪毓玨教授卻認為電機背景的優勢就是相當有彈性，不論跨界到什麼領域，電機人總是能快速學習、融合與應用，「這就是電機人的優勢！」洪毓玨教授期許，希望未來正在進行的跨領域研究能併發出更多火花，創造更多科技可能。