臺灣化學教育

奈米/團簇實驗課程設計與應用

古國隆

國立嘉義大學應用化學系

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相較於其他科技領域，「奈米科技」算是新興的科技領域，世界各國都投注大量的人力及資源，進行與奈米相關的研究，期望能將奈米科技成功地應用在與食、衣、住、行等各方面，開啟另一波的產業革命，最終達到提升國家競爭力的目標。台灣也不例外，政府在民國90年的全國科技會議中即將「奈米科技」列為未來生醫、材料、能源、資訊、微機電等之共同發展基礎¹，科技部、中研院、經濟部、工研院、及教育部等機構也持續推動與奈米科技相關的各種大型計畫，以達到「在學術方面有卓越研究，以支持奈米科技產業化」的目標²。因此台灣在奈米相關學術及產業研究方面已有相當豐碩的成果，奈米材料適用的範圍除了生醫檢測、藥物傳遞外，還擴及太陽能電池、IC電子、顯示器等民生工業。

奈米科技的發展需要人才培育，除了藉由國家主導的大型跨領域奈米科技人才培育計畫，培育專業研發人才外，同時也希望奈米科技教育能向下紮根，提升各級學校學生對奈米科技的認識及興趣。近年來，台灣國小、國中、及高中端的奈米科技教育已有一定的基礎，但科技的進步日新月異，與十年前相比，奈米材的種類更多元、製備更簡單、應用性更廣泛，教材當然也需要被更新。為了更有效地啟發學生對科學的興趣，「動手做」在教材設計開發中是必要的元素，學生從實驗中觀察，過程中的任何的變化，如顏色改變、沉澱析出、氣體產生、發光發熱等都能讓學生留下深刻的印象，這樣的學習模式應比課堂上的解說更能激起學生的熱忱。

奈米材料最著名的例子莫過於金奈米粒子，20 nm大小的金奈米粒子呈現酒紅色，最早是用來彩繪陶瓷或加在玻璃中做成美麗的器皿，因其令人驚艷的顏色、容易製備、易於修飾、及良好的生物相容性等特質，使金奈米成為與奈米相關研究的首選。隨著合成技術的精進，除了金奈米外，有如銀、鈀、鉑、或其他複合奈米材料被合成出，奈米粒子的形狀也不只局限於球狀，有三角平板、六面體、二十面體等許多不同的形態，對於球形的奈米粒子而言，小還要更小，從奈米的尺寸做到團簇等級，當奈米粒子小到團簇等級時，這些奈米材料會發出螢光，展現出特別的光學性質。這樣的實驗聽起來好像很困難，需要先進的儀器設備及昂貴的藥品，但實際上不然，本期專刋所邀請的作者皆為在奈米科技領域鑽研多年，研究經驗豐富的老師，也因此能將前緣尖端科技簡單化，利用高中實驗室方便取得的設備及藥品，甚至是利用在便利商店就能買到的飲料，在合理的時間範圍內就能合成出奈米材料，除了合成外，也進一步鑑定及探討所合成材料之特性，從奈米材料的合成、鑑定、到最終的應用，提供了可供高中生操作的完整實驗，設計實驗時也考量所使用藥品的用量、毒性、及對環境的影響，使實驗能符合「綠色化學」的要求。

第一篇是由國立中正大學周禮君教授所設計的「金奈米粒子合成與感測教學實驗模組」是金奈米粒子經典實驗之匯集，包含了四個具關聯的實驗，先以Turkevitch的方法，以檸檬酸根當成還原劑及保護劑合成金奈米粒子，再將金奈米粒子固定在玻璃上，因奈米粒子易受外在環境的影響而改變光學性質，可以利用紫外/可見光光譜儀來探討折射率對光譜之影響，這樣的模組化實驗可以讓學生循序漸進，對奈米粒子的特性有完整的認識。

第二篇「奈米好好玩–簡易螢光金奈米團簇製備及重金屬汞離子檢測應用」是由國立彰化師範大學化學系林泱蔚教授所設計的實驗，使用雞蛋中的蛋白質做為板模及保護劑，及利用微波爐加熱，在5分鐘內便可成功地合成出會發出粉紅色螢光的金奈米團簇，相較於其他合成團簇的方法，這個方法材料成本低廉、没有毒性且容易取得，合成的團簇還可以用來偵測汞離子。林教授除了在文章中詳細地介紹了實驗的原理及步驟，還提供了教師及學生手冊供参考，方便教師將奈米團簇實驗納入實驗教學中。

第三及第四篇都是利用電化學的方法合成碳奈米點，分別由國立台灣大學化學系張煥宗教授及國立台東大學應用科學系胡焯淳教授提供，張教授更進一步改進了電化學的裝置，讓合成變得更加容易、安全。碳奈米點與金屬團簇相同，具有特殊的螢光性質、較佳的生物相容性，也比較不會造成環境的污染，可以做為一種新的螢光感測器。實驗時所需要的「碳」可以來自非常生活化的材料，如在胡教授所設計的實驗中，使用果汁做為碳的來源，因所用的碳源不同，做成碳奈米點後，會影響奈米點所發出螢光的顏色及強度。碳奈米點如做為螢光偵測器，可以用來偵測金屬離子及酸鹼度。

國立嘉義大學應用化學系黃正良教授在第五篇「從光合成三角形奈米銀到彩色奈米銀製備」中，以銀做例子，非常詳細地介紹了奈米粒子形狀對顏色的影響，及如何以照光的方式合成三角平板，在合成好的三角平板銀奈米中加入KBr後，便開始進行截角反應，隨著奈米粒子形狀改變，銀奈米呈現豐富的顏色變化，與銀塊材閃亮亮的顏色不同，讓學生印象深刻。

第六篇則是由中國醫藥大學藥用化妝品學系莊宗原教授介紹一種陰離子黏土材料「層狀雙氫氧化合物（LDHs）」的合成方法及相關的應用。層狀氫氧化合物含有二價及三價的金屬離子，層間的陰離子具可交換性，可以嵌入不同的分子，增加其應用性。有鑑於高中生對這種奈米材料較為陌生，莊老師拍攝了詳細的合成教學影片，可供有興趣的教師或學生参考。

在108年新課綱即將實施之際，專刋中所討論到與奈米材料相關的實驗剛好能讓對化學有興趣的學生在研究題材上多一些選擇，增加學生對奈料科技的認識。最後要感謝教授們將自己精采的研究成果轉譯為有趣且適合中小學生之實驗教材，也特別要感謝本期擔任執行編輯的國立嘉義大學應用化學系連經憶教授，她熱心的提供意見、邀稿、整合、編輯，才使本專輯有如此的貼近研究前緣的科普實驗。

1.        劉祥麟。台灣奈米科技研究體系之簡介。物理雙月刋，2001，23卷6期，第599頁。

2.        台灣奈米發展，奈米新世界。https://nano.nstm.gov.tw/NanoConcept/NanoDevelopment/NanoInTaiwan.htm

3.        M. Daniel and A. Astruc. Gold Nanoparticles: Assembly,
Supramolecular Chemistry, Quantum-Size-Related Properties, and Applications
toward Biology, Catalysis, and Natotechnology. Chem.
Rev. 2004, 104,
293-346.