奈米課程:「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計/ 何慧瑩

星期五 , 4, 6 月 2021 Leave a comment

奈米課程「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計

何慧瑩

國立臺北教育大學自然科學教育學系

hueiying.ho@gmail.com

 


       本文從分析奈米科技中常見的「蓮葉效應」Lotus effect基礎原理開始,介紹我們於2016年所設計的國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組與教具,並依據課程設計的專家概念圖,規劃出五節與蓮葉效應有關的奈米課程,最後對修正成探究與實作課程提出建議。

  • 簡介

在奈米K-12計畫推行的許多奈米實驗中,「蓮葉效應」最受K-12教師之喜愛,包含高中、國中、國小各階段與蓮葉效應有關的創意教學,這些教學教案不斷地被開發出,分析其中的實作實驗,則大多聚焦於在各種人工表面上滴水,觀察蓮葉效應,並設計成較K-12的教案,這些人工表面包含蠟燭煙燻出的碳黑、用二氧化矽微粒泡過後烘乾的布製品、以及用含有二氧化矽微粒的墨水寫的書法…等,這些創意教學為K-12的奈米推廣教育奠定了深厚的基礎。然而,這些實作實驗因實驗器材的限制,大多只能透過電子顯微鏡圖片進行表面改質的觀察,無法讓學生更進一步了解產生蓮葉效應的力學機制。其實,許多與蓮葉效應相關的基本科學概念都已包含在學校的教科書中,這些基本概念包含了力平衡、能量、材料表面處理、以及科技與社會。如果我們能將國中「自然與生活科技」領域中與奈米現象相關的基本知識,透過一連串的教學引導將之串連在一起,如此一來,學生可以在學校的教學中,就能接觸到奈米科技的知識,學生更能夠接受現代科技,而非將之視為難以理解的知識。有鑑於此,我們從蓮葉效應的基礎理論表面能與表面張力出發,結合國中學生理化課本中的力平衡概念,設計國中的「蓮葉效應與力平衡」奈米課程和實作教具,本文將逐一介紹,以作為國中教師教學之參考。

  • 何謂蓮葉效應?

所謂的「蓮葉效應」是指水滴落蓮葉表面之後,會以滾動的方式運動,不會黏附在蓮葉上,水經過蓮葉上的灰塵,灰塵會附在水的表面,當水從蓮葉滾落時,灰塵就被帶走,所以蓮葉表面就能保持清潔,蓮葉這種「出淤泥而不染」的自潔現象,被稱為「蓮葉效應」1。圖1為水比較多時,但仍清楚可見水的邊緣沒有沾附在蓮葉上;圖1為水比較少時,此時水會形成水珠狀,水的邊緣一樣是沒有黏附在蓮葉上。

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1:左圖:在蓮葉上的水不會沾附在蓮葉上(圖片來源:H. Zell, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10799164);右圖:當水不是很多時,水會形成水珠狀(圖片來源:Dat doris, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=87146272)

  • 為什麼蓮葉可以有如此的自潔效果呢?

回答這問題前,我們要先了解超親水性、親水性、疏水性、以及超疏水性的差別,圖2所示為接觸角clip_image006與這些特性的關係。接觸角的定義是指在水、空氣、以及固體三種界面的交界處,對水珠畫出水/空氣交界面切線,此水/空氣交界面與水/固體交界面的夾角即為接觸角。基本上接觸角小於clip_image008,會顯現出親水性,特別是接觸角小於clip_image010時,水幾乎鋪在固體表面,因此被稱為超親水性;接觸角大於clip_image008[1],會顯現出疏水性,此時水可以在固體表面滑動而不太會沾黏,一般而言在汽車表面打蠟,即屬於此類;當接觸角大於clip_image012時,水則主要以滾動方式在固體表面移動,幾乎不會沾黏在固體表面,稱為超疏水性。

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2:接觸角與親水性/疏水性之關係示意圖(圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

透由電子顯微鏡觀看蓮葉表面,發現蓮葉表面有許多絨毛微結構,這些絨毛上有著奈米尺寸大小的蠟質結晶,就是這些奈米級的蠟質結晶造成超疏水性,也就是這種超疏水性讓水在蓮葉上以滾動的方式運動,同時帶走灰塵,形成蓮葉的自潔現象。

  • 「蓮葉效應」教具設計之理論基礎

「蓮葉效應」教具設計的理論基礎要從毛細現象、表面張力surface tension和表面能surface energy開始談起。毛細現象是指液體在細管狀物體內,克服地心引力而上升的現象,一般都以液體的內聚力cohesive force與附著力adhesive force的差異來說明該現象發生的原因,例如:水在毛細管內,水面是中間凹兩側高,管內液面是高於外面的水位毛細現象,這被解釋為附著力大於內聚力所造成的;水銀在毛細管內,水銀面是中間凸兩側低,管內水銀面是低於外面的水銀面,這被解釋為內聚力大於附著力所造成的。附著力垂直於毛細管壁,以鉛直的毛細管而言,附著力為水平方向,無法讓水在毛細管中爬升;又內聚力為水分子之間的力,無法自己將自己向上拉,因此也無法讓水爬升。所以,只以附著力和內聚力來說明,雖可以簡單呈現液體面是凹或凸,卻很難解釋液體在毛細管中的爬升和下降。因此,從別的角度來看毛細現象有其必要性。

首先,先介紹表面能與表面張力。兩種物質的交界面上存在著一種能量,我們稱之為表面能,它的能量來源屬於電位能,一般都用表面能密度g, surface energy density來表示,g定義為單位面積上所具有表面能。g與交界面積之乘積,即為該交界面的表面能。為了降低表面能,交界面喜歡縮到最小面積,對應此降低表面能之縮小機制就是表面張力( f),表面張力定義為液體單位長度所受的力,從單位的角度來看,表面張力就是表面能密度,界面的表面張力越大,表示表面能密度越高,而表面能高越高的界面,面積會自然縮小,表面能低的界面面積會自然擴大3。以圖3a的立體示意圖為例,表面能密度clip_image016,所以表面張力clip_image018。三個表面張力造成的合力不為零3b,因此三個界面的交界處會開始移動,三個界面的交界處會沿著任何時刻的合力方向移動,經過界面移動之後,各交界面之間的夾角會改變,最後達到力平衡,此時也是總表面能最小的時候3c

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3:表面能密度、表面張力與界面變化示意圖,圖中不同顏色表示不同物質 (a)立體圖;(b)上視圖,三個界面交界處合力不為零;(c)上視圖,移動後,三個界面交界合力為零。(圖片來源:作者繪製)

現在,我們可以開始從能量的角度來說明水的毛細現象了。如圖4a所示,此系統各界面上的表面能密度可表示為:空氣/(clip_image022)、固體/空氣(clip_image024)、以及固體/(clip_image026),它們所對應的表面張力分別為clip_image028clip_image030以及clip_image032,受力之方向都是朝向縮小各表面能所對應的面積,其中clip_image034為水和固體之間的附著力adhesive force,在此系統中為水平方向,根據力平衡的觀點,水平合力和鉛直合力都必須為零。從圖4aclip_image028[1]鉛直分量朝下,故可判斷clip_image036,此時clip_image038親水性。另以水銀為例4b,水平合力以及鉛直合力也都必須為零,圖中clip_image028[2]鉛直分量向上,故可判斷clip_image040,此時clip_image042疏水性

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4:水(a)和水銀(b)在毛細管中的三個界面共同接觸點受力之分析圖,q為接觸角圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

從以上對毛細現象、表面張力和表面能的敘述,可知改變固體/液體(clip_image032[1])和固體/氣體(clip_image030[1])界面的表面張力大小,就可以控制接觸角q。實際執行層面上,可以透過改變固體表面的特性來改變表面張力大小,也就是所謂的表面改質5也就是說,蓮葉上的蠟質結晶變成奈米大小,就是一種表面改質的概念,可以造成接觸角大於clip_image012[1]的超疏水性。我們的國中的「蓮葉效應」教具設計概念,即是從「蓮葉效應」的理論基礎表面能和表面張力發想,結合國中的力平衡現象教學所設計。

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5:固體表面經由奈米化改質之後,表面張力大小變化示意圖圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

  • 「蓮葉效應」教具設計與課程設計

選擇好設計的理論基礎之後,即以此理論基礎建立國中的「蓮葉效應與力平衡」奈米課程專家概念圖6,我們依據此專家概念圖設計了五節課的教學內容。

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6:國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組之專家概念圖圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016 

第一節課:尋找看看哪些花市常見的植物葉片有蓮葉效應?

分別在貓草、薄荷、到手香、羅勒、檸檬香蜂草、金黃香蜂草、以及金錢樹葉上面滴一小滴水(圖7,觀察水形狀是水滴狀還是水珠狀?流動時是滾動還是滑動?水流過後是否留有水痕?觀察與觸摸這些葉子,進行簡單分類,以歸納出具有「蓮葉效應」的葉子有哪些共同處。

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7:花市常見植物葉片上水的外型與滴水測試圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

第二節課:葉面上的小水珠所受的力有哪些?

學生在本堂課學會繪製合力的圖解法,並練習繪製兩力平衡、三力平衡、以及四力平衡的力圖。接著,探討水珠在蓮葉上受到幾個力的作用?學生在這堂課可以學到4種界面力量的知識、以及4種力和接觸角的繪製方式(圖8

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8(a)蓮葉上水珠在三界面交界點的受力情形;(b)請同學畫出三個界面上的力和吸附力,並標示出接觸角圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

第三、四節課:接觸角大小和力平衡的關係

這兩堂課為實作課程,圖9為實作課程的教具設計示意圖。學生要使用螺絲起子、板手、螺絲、螺帽、滑輪、以及金屬片10自行架設實驗儀器11,然後調整代表蓮葉三個界面接觸點受力的4處砝碼重量注意,調整後的水平線必須仍舊保持水平,分別模擬親水性表面12和疏水性表面13,填寫學習單1。從實驗數據中推論出當clip_image054 亦即clip_image040[1],會出現疏水性;反之,clip_image056 亦即clip_image036[1]會出現親水性。

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9:模擬液體在三界面交界點的受力情形之構想圖圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

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10:模擬三個界面交界點的受力情形所需之器材圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

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11:模擬三個界面交界點的受力情形之儀器架設圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

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12:模擬親水性表面,三個界面交界點的受力情形之實驗結果圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

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13:模擬疏水性表面,三個界面交界點的受力情形之實驗結果圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

1:學習單

 

第五節課:蓮葉效應在生活中的應用

本節課之目的在認識生活中運用蓮葉效應設計出的產品,並思考對我們生活的影響,進而設計出屬於自己的蓮葉效應商品。課程之進行可選擇由老師介紹,或是由學生自行找資料上台報告。建議內容包含生活中運用蓮葉效應的產品、蓮葉效應的產品有什麼優點和缺點、對我們生活的影響、並知道如何透過奈米標章14判斷是否為奈米產品,最後學生可以提出蓮葉效應產品的創意點子,並簡單分析出創意產品的優缺點。

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14:奈米標章。(圖片來源:台灣奈米技術產業發展協會,http://www.tanida.org.tw/index.php)

  • 結語

本文所介紹的「蓮葉效應」教學,透過自製的四力平衡教具呈現蓮葉效應中水珠受力情形,讓學生能透過實作了解接觸角與親水性、疏水性的關係。本教具運用到螺絲起子和板手等常見的手工具,學生在架設儀器時也能學習手工具之使用方式。本奈米課程可進一步修正成利用力平衡實驗數據進行表面張力大小之論證推理,可做為國中的探究與實作課程設計之基礎。

  • 參考資料

何慧瑩、盧秀琴2016高中「從蓮葉效應到自組裝」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5288-4)

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