奈米課程：奈米碳材料的官能化及應用性
羅珮瑛 、李昆展*
國立臺北教育大學自然科學教育學系
[email protected]
■前言
正如同大多數的奈米材料一樣，碳相關的奈米材料，例如：奈米碳管（carbon nanotubes）、氧化石墨烯（Graphene Oxide）和石墨烯量子點（Graphene Quantum Dots）等的碳材料，由於其尺寸為奈米等級，因此提供了高的比表面積以應用於有效的藥物結合或是藥物載體，並且因為其特殊結構及特性而使其有能力能夠通過艱難的生物屏障以及能夠於活細胞中產生生物影像。然而，原始未經過任何修飾的奈米碳材料，其碳材料表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用，從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象，因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。為了降低奈米碳材料可能的生物毒性及提升其相關應用性，必須對奈米碳材料進行相關的表面官能化的修飾，以增強其生物相容性。
■奈米碳材料的介紹
(）。原始未經過任何修飾的奈米碳材料，由於其碳材料表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用，從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象，因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。為了降低奈米碳材料可能的生物毒性及提升其相關應用性，必須對奈米碳材料進行相關的表面官能化的修飾，以增強其生物相容性（）。
SWCNT），或者兩個壁（雙壁碳納米管，DWCNT），或者有兩個以上的多壁（多壁碳納米管，MWCNT）。
）。
■奈米碳材料的官能化及應用
一、 奈米碳材料的化學特性
奈米碳材料由於其所顯現的獨特的機械和電子特性，許多研究學者對其產生了相當大的研究興趣，因而掀開了奈米碳材料科學的新篇章。但是，由於表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用，從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象，並且由於缺乏水中溶解性和難以在溶劑中操作因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。基本上，原始所生產的奈米碳材料不溶於所有有機溶劑和水溶液，即使透過超音波震盪處理，使得奈米碳材料可以部分分散在某些有機溶劑中，但是當該過程中斷時，奈米碳材料幾乎會立即發生沉澱現象。因此，如何對奈米碳材料進行表面官能化處理，將可使得奈米碳材料可以與不同種類的化合物相互作用。例如以超分子複合物的形成方式，將可從而製造出新穎的奈米元件。此外，奈米碳材料亦可以化學反應處理，進而形成更多具有水溶性的複合奈米碳材料，而能夠將其與無機，有機和生物系統中進行整合應用。修飾此種奈米碳材料的主要方法可以分為兩類：
（a）藉由反應將化學官能基團共價鍵結到奈米碳材料的π共軛骨架上
（b）分子間的非共價吸附或纏繞。
二、共價鍵結官能化
實際上，由於化學惰性的特性是進而使得奈米碳材料具有應用的特性之一。奈米碳材料可以透過共價鍵結的方式在其末端和其側壁上被官能基團進行官能化(如圖1)。這些官能化的方式可以透過在無缺陷的奈米碳材料表面進行直接攻擊的官能化方式，或是藉由氧化、缺陷位置的修飾方式和其他官能化方式，對奈米碳材料進行共價修飾。一般而言，主要常見的方法包括利用羧酸化、酰胺化或酯化奈米碳材料的官能化形式。而針對不同胺基的形式進行奈米碳材料的官能化則包括了幾種鍵結的方式：共價鍵（Zhao et al., 2004），兩性離子鍵（Hamon et al., 1999）和物理性的吸附（Chattopadhyay et al.,
2003）。
奈米碳管共價鍵結官能化示意圖
三、非共價鍵結官能化
（Chen et al., 1998）和富勒烯（Kamaras et al., 2003）等的物質填入奈米碳管的空腔內進行修飾。
圖2 奈米碳管非共價鍵結官能化示意圖(高分子纏繞)
Lo et al., 2020）。Sun教授研究團隊透過二酰亞胺活化的酰胺化反應製備了奈米碳管–蛋白質複合物，然後將其利用牛血清白蛋白或馬脾鐵蛋白進行官能化，發現所製備的複合物可穩定溶於水溶液介質（Mi-L-賴氨酸進行官能化，聚-L-賴氨酸可進一步促進細胞的粘附作用（）。生物分子也提供了進一步衍生化的環境，透過將過氧化物酶鍵結到此複合物上，發現可以檢測到較低濃度的過氧化氫。
圖3 奈米碳管載體進行藥物控制釋放示意圖
四、石墨烯量子點的官能化
如何改善奈米碳材料的水溶性和穩定性一直是科學家們關心的議題，也是其後續應用的重要關鍵。另一種解決的策略是製備尺寸超小的奈米碳顆粒(如圖四)，進一步使得奈米顆粒由於布朗運動可提供足夠的能量來防止其再次聚集，並且由於奈米碳材料的側邊具有富含氧的官能基存在而減低其疏水的特性。因此，奈米尺寸的碳材料，如碳量子點(Cdots)（Luo et al., 2013），以及尤其是石墨烯量子點(GQD)（Peng et al., 2012），是碳材料家族中的後起之秀，因為它們在水中具有出色的分散性和穩定性，並且具有強螢光性以及保留了石墨烯的優勢。關於石墨烯量子點的相關研究報導迅速增加，包括了探索其合成方法(從氧化，水解到電解)（Shen et al., 2012），其螢光的起源以及生物學相關的應用，例如生物成像和感測特性。
圖4 石墨烯量子點製備示意圖
一般而言，石墨烯量子點在側邊邊緣含有與石墨烯相似的羧酸官能基部分，因此賦予它們出色的水溶性和適合於後續利用各種有機、聚合物、無機或生物物種進行官能化的能力。此外，由於石墨烯量子點具有一些優異的特性，例如高比表面積、使用pi-pi共軛網絡或表面基團的表面接枝以及其他特殊的物理特性。由於其簡單的結構，以及相對於對健康可能具有威脅的金屬量子點(例如硒化鎘等)的生物危害，石墨烯量子點成為開發低毒性，環保替代品相關應用的重要研究方向。
■奈米碳材料的生物醫學相關應用性
奈米碳材料在生物醫學應用中的探索亦正在如火如荼的進行中，許多研究也已經證明細胞可以在奈米碳材料上生長，因此它們似乎沒有相關的生物毒性作用（Lo et al., 2020）。細胞不會粘附在奈米碳材料上，可以提供做為如義肢塗層以及船舶防污塗層等應用。奈米碳材料可以輕易在其側邊官能化的能力還可使其延伸於生物醫學的相關應用，例如用於神經元生長和再生以及血管支架的應用。也有相關研究顯示DNA的單鏈可以與奈米碳材料結合，然後可以成功地將其插入細胞當中。如此顯現奈米碳材料在生物醫學相關的應用性上越來越多元也越重要，因此有效的瞭解奈米碳材料的物理化學相關特性及其使用限制將可大大提升其在生物醫學領域的應用範疇。
■結語
碳為題，介紹與碳相關的奈米材料其物理及化學特性，除了在物理及化學性質上的重要變化以外，本文亦描述如何透過材料表面的官能化方能進一步的增加奈米碳材料的相關應用性，並且增加其於跨領域學科的潛力，例如如何能增加材料的生物相容特性而應用於生物醫學上。
參考文獻
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dots. Nanomaterials 2019, 9 (2),282.
奈米課程：治療燒燙傷的魚皮敷料
盧秀琴
國立臺北教育大學
[email protected]
天然屏障，有效防止病原菌入侵，並減少患者的傷口處體液、血漿和蛋白質的流失。
簡介
皮膚是人體最外層的保護器官，一旦遭受燒燙傷的傷害，可能會失去保護功能，壞死的組織將是病原菌繁殖的溫床。醫護人員替病患處理深度燒燙傷時，除了使用植皮修復法外，也會使用生物敷料如豬皮，但是價格昂貴(見附錄)。美國公司使用鱈魚皮cod fish skins）開發傷口敷料，魚皮含有多元不飽和脂肪酸，具有抗發炎的特性，使用這種敷料治癒一隻遭受火災燒傷的羅威納犬，能減少鎮定劑的用量，更有效縮短傷口癒合時間（農業科技決策資訊平台，。巴西科學家發現，使用吳郭魚的魚皮開發深度燒燙傷的敷料，能夠減少傳統療程的75％成本，治癒56位巴西深度燒燙傷的病患；因為吳郭魚皮的水分、膠原蛋白與人體皮膚相類似，能加速療程、減少病患對止痛藥的依賴（自由電子報，。魚皮和人類皮膚相當，保有多孔性支架及皮膚的元素（蛋白質、脂質），豐富的與天然的微生物屏障，比起傳統豬皮的人工真皮，能更快加速傷口的癒合，形成健康的皮膚組織，讓傷口更快閉合（農業科技決策資訊平台，。
吳郭魚的大戶，對於吳郭魚的魚皮應用價值不高，製作吳郭魚切片時經常丟棄魚皮；假如吳郭魚皮敷料上市後價格便宜，則適合治療需要大量敷料的深度燒燙傷病患，尤其是貧困家庭。因此，中小學教師若能教導K-12的學生，從微小尺度的奈米化學材料結合生物奈米概念，去認識治療燒燙傷的魚皮敷料，如何能加速療程，降低成本，對K-12的學生將有很大的啟發性，也許將來能創造更多的奇蹟，造福人群。
■魚皮富含Omega-3多元不飽和脂肪酸，具有抗發炎特性
C20H30O2, EP C22H32O2, DHA Omega-3，但是魚類本身無法自己製造Omega-3，魚類攝食微藻類浮游生物中獲得Omega-3，再經過生物濃縮效應，儲存在魚類的身體中（Yvonne, 2007）。在我們身體內，細胞激素是由一組蛋白質所組成的，當作一種信號蛋白（signal protein），作用在鄰近細胞或整個有機體，能參與免疫系統反應，結合某些化學因子會引起身體的發炎反應，造成紅腫現象（Lackie, 2010）。
■魚皮的多孔性生物支架，能和人體細胞緊密結合
。魚皮主要是由膠原蛋白所組成的，可作為覆蓋傷口表面的天然生物材料，膠原蛋白是一種非常重要的蛋白質，對於人體皮膚的形成具有重要的支架作用，膠原蛋白支架技術是一種仿生學應用，膠原蛋白具有很強的伸張能力，可做為臨床醫學組織再生的重要材料；多孔結構的膠原蛋白可作為「生物支架」，使依附在生物支架的細胞和組織得以一種預定的形式來生長，最終長成和人體組織極為相似的組織，這即是所謂的膠原蛋白支架技術（劉海英，最後長成健康的皮膚器官。
天然微生物屏障，有效防止病原菌入侵。
■結語
研究團隊發現，魚皮敷料不僅可以降低患者的傷口感染風險，而且成本相對低廉。在燒燙傷皮膚愈合的過程中，魚皮能舒緩燒燙傷所引發的劇烈疼痛，並能減少患者的傷口處體液、血漿和蛋白質的流失。但這是一種醫療行為，不能自行隨便處理魚皮就貼在傷口處，可能造成嚴重感染。魚皮需要專業的特殊處理才能臨床使用敷在患者的傷口處，例如：去除魚鱗、肌肉組織、毒素、潛在病源以及魚腥味後，魚皮再經過拉伸疊合後，以10厘米×20厘米的長條狀存儲在冷藏庫中，儲存時間可達兩年。這種魚皮敷料的拉伸強度與人類皮膚類似，具有柔韌性，敷貼時容易與傷口緊密貼合，治癒傷口大約需要14天。
目前在臺灣，吳郭魚的魚皮應用價值不高，但自然科教師若能對於K-12的學生教導治療燒燙傷的魚皮敷料，簡單的解釋奈米化學尺度（膠原蛋白的分子結構），如何結合生物奈米概念（Omega-3），就能做出治療燒燙傷的魚皮敷料，造福人類。相信能引導K-12學生對於跨領域的學習興趣，激發更多的想像和創造力。
■參考資料
林慧宣（2016）。以3D列印製作海藻酸鈉水凝膠和幾丁聚醣/聚乙烯醇奈米纖維雙層複合支架用於組織修復。臺北科技大學化學工程研究所碩士論文。
https://agritech-foresight.atri.org.tw/article/contents/1812
https://kknews.cc/zh-tw/other/k6arxq.html
A meta-analysis of the analgesic effects of omega-3 polyunsaturated fatty acid supplementation for inflammatory joint pain. Pain, 129(2), 210-223.
Lackie, J. (2010). Cytokine. A Dictionary of Biomedicine. Oxford. ISBN 978-0-19-172794-8.
■附錄
根據臺灣全民健保局資料庫顯示，一般燒燙傷病患平均住院日數長達14天，平均每人醫療費用新臺幣9萬6,000元，若是非單一燒傷處病患，治療費用更高達新臺幣29萬元。巴西醫院使用吳郭魚皮敷料治療燒燙傷病患，平均每人醫療費用折合新臺幣3萬5,000元。
奈米課程：從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學
陳月雲1、盧秀琴2
新北市中和區秀山國民小學1
國立臺北教育大學自然科學教育學系2
[email protected]1
。
n簡介
。
。
概念改變情形。
n國小學生的蓮葉效應學習情形
。
蓮葉效應教學概念與活動內容
教學後，多。
表2 實徵教學後學生於蓮葉效應的應答情形
。探究其產生原因多半為：1.將多數複雜的概念或決定步驟簡化成數個簡單旳概念或決定步驟（化約模式）；2.將相關概念與階層概念的關係誤用（推理不當模式）；3.將生活經驗當作正確的科學意義（經驗誤用模式）；及4.將概念的定義陳述錯誤（記憶連結錯誤模式）等，如表3另有概念模式分析所示。
表3另有概念診斷測驗中學生應答之另有概念模式分析
n奈米碳黑配合POE教學法的另有概念改變教學
為改變學生的另有概念，故以燭火燻在裝有水的紙杯底部，製造一層碳黑，再滴水於碳黑上之模擬蓮葉效應的奈米碳黑實驗，採用POE學策略，透過奈米碳黑與水之間的反應觀察情形，分析學生另有概念改變情形，其教學分析整理如表4所示。
教學法的另有概念改變教學分析
教學後。後測成績表現上亦明顯多於教學前，其正確概念比例明顯提升，如表5所示。
表5 學生在奈米碳黑配合POE教學後的蓮葉效應成就測驗表現
n結論與建議
。
n參考資料
廖達山、胡苓芝、潘彥宏、孫蘭芳（2004）。奈米科技K-12教育發展系列叢書—奈米科技交響曲生物篇，台北市：國立台灣大學出版中心。
）。奈米科技融入九年一貫課程之領域主題規劃。生活科技教育月刊，37（2），20-25。
。
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國家教育研究院（2020年7月19日）。教育部發布之十二年國教課綱彙整—十二年國教各領域/科目課程綱要／十五、自然科學領域。網址：https://www.naer.edu.tw/files/15-1000-14113,c1594-1.php。
Liew, C. W. (1995). A predict-observe-explainteaching sequence for learning about students’understanding of heat and expansion of liquids. Australian
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奈米課程：融入式奈米課程之設計
何慧瑩
國立臺北教育大學自然科學教育學系
[email protected]
本文之目的是讓讀者了解我們設計融入現有K-12科學教材的奈米課程之歷程，文章包含K-12奈米科技教育、奈米科技之重要概念（big ideas）、以及依據各階段認知能力與教科書之科學課程設定奈米課程融入之重點。
奈米科技教育
教師，因為大家都不認識奈米尖端科技，因此必須老師願意新收新知、接受訓練，當然也要對於教學有相當的熱情。
、各學習階段所能融入的重點與方式、要有讓學生動手做的創意實驗、最後是要融入哪些自然教學的核心能力。
和各階段學童的認知能力作為教學設計之基礎，而創意實驗除了動手做之外，還加上了數位學習與影片學習，以因應無法在一般實驗呈現的奈米現象。而我們在設計奈米課程時，即依據這樣的邏輯進行。
圖1：K-12奈米教育概念圖（圖片來源：作者繪製）
Big ideas
之內涵：
）
。
）
物質的構造泛指其組成份子之排列方式，例如：原子排列、分子排列、介質週期性排列，常見的教學內容為巴克球、奈米碳管、光子晶體。
）
。
）
。
）
粒子的波粒二重性所造成的各種現象，例如金屬能帶結構、穿隧效應、電子繞射。
）
。
圖2：直徑20微米塑膠球的自組裝（拍攝者：林威延和湯雅慧）（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）
）
等。若沒有工具與儀器的發展，許多奈米尺度的現象是無法被研究與觀察的。
）
所有的研究與觀察。都需要透過實體模型或理論模型來建構出其樣貌，透過模擬可以進行推論，例如利用電腦可模擬光子晶體結構對的光線傳播的影響。
）
奈米科技對社會的影響，包含正面與負面影響之評估，例如奈米科技對人類生活的衝擊、奈米粒子對環境的影響。
融入式奈米課程
奈米教育，對教師而言，最困難之處在於教材設計，若能直接融入各學習階段的科學課程，對教師授課而言，可大幅降低教學進度的壓力，因此，我們選擇發展融入式奈米課程。以下是我們設計融入式奈米課程的四個步驟：
認知能力範圍內之素材概念
及其相關知識內容。
的知識內容，我們也一一寫入概念圖中，最後以「四力平衡系統」作為總結。
圖3：蓮葉效應概念分析圖（圖片來源：作者繪製）
圖4：光子晶體概念分析圖（圖片來源：作者繪製）
分析素材概念可融入各階段科學課程的奈米科技重點
我們依據素材概念分析圖，尋找各學習階段科學教科書中與該素材相關的教學內容，然後依據各學習階段之認知能力，分析可融入科學課程的奈米科技重點。
），幼稚園至小二階段為感覺動作期，此階段以體驗和認識蓮葉效應為主。國小中、高年級為具體運思期，我們可透過具體操作讓他們了解蓮葉效應和毛細現象的特徵有何相同之處，並思考在生活中的應用。國中和高中階段為形式運思期，此階段學生可進行抽象思考，因此可讓國中學生了解蓮葉效應與力平衡有關，而高中學生則可分析毛細現象和蓮葉效應與表面張力的關係。
表1：蓮葉效應可融入各階段科學課程的奈米科技重點
階段
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教科書之科學課程
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奈米科技融入科學課程之重點
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幼稚園至小二
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|
認識自然界中具有蓮葉效應的植物。
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國小中、高年級
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毛細現象
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認識自然界中的蓮葉效應及其可在生活中進行的應用。
|
國中
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力的合成與力平衡
|
探究毛細現象和蓮葉效應之力平衡現象。
|
高中
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表面張力與表面能
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理解毛細現象和蓮葉效應都與表面張力有關。
|
），幼稚園至小二階段以體驗和認識光子晶體現象為主。國小中、高年級可透過具體操作讓他們了解週期性結構是光子晶體的特徵，並思考在生活中的應用。國中學生可經由操作和教師解說，了解光子晶體現象的週期性結構是奈米結構。高中學生可從觀察到不同的光子晶體現象，進而推論奈米結構週期尺寸差異為何。
表2：光子晶體可融入各階段科學課程的奈米科技重點
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教科書之科學課程
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奈米科技融入科學課程之重點
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幼稚園至小二
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認識具有光子晶體的生物或物品。
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國小中、高年級
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光的反射、折射、彩虹、彩色電視…等
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。
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國中
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光的三原色(RGB)
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認識彩蝶效應是由於週期性奈米結構所造成。
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高中
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單狹縫繞射、雙狹縫干涉、光柵
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理解光子晶體是特殊週期排列的奈米結構，隨著結構的週期尺寸不同，觀察到的現象會有差異，為彩蝶效應形成之原因。
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設計創意動手做實驗
。詳細的創意實驗設計過程，請參閱〈「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計〉和〈「光子晶體」高中奈米課程設計〉兩篇刊載於本期之文章。
撰寫教案
）兩本書籍。
結語
發展新興科技的課程不是一件容易的事，因為教師自己得先了解這些新興科技背後的原理，分析其概念，才能進行教學設計。然而了解這些新興科技的原理對教師而言，本身就是一件相當不容易的事。我自己相當佩服在計畫推行初期，即投入這艱難工作的種子教師們，在此向他們致上最高的敬意！
參考資料
何慧瑩、盧秀琴（2014）。高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」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。(ISBN：978-986-04-1582-7)
何慧瑩、盧秀琴（2016）。國中「蓮葉效應與力平衡」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。(ISBN：978-986-04-5286-0)
。
。
。
奈米課程：「壁虎效應」高中奈米課程之教具設計
何慧瑩*、張惠雯、湯雅慧
國立臺北教育教育大學自然科學教育學系
[email protected]
本文介紹奈米科技中常見的「壁虎效應」原理，以及如何製作具有實驗與數據分析之高中「壁虎效應」教具，最後提出對未來發展成「壁虎效應探究與實作課程」之建議。
n簡介
，鮮少有可讓學生親手操作的類比性實驗。本文設計出高中課程適用的壁虎效應教具，結合表面張力的概念，使學生能藉由動手做實驗，將複雜的概念深入淺出，使學生將奈米科技生活化，感受到奈米科技的實用性。
n何謂壁虎效應？
Aristotle, B.
C. 384-322(Historia
Animalium)。
圖1：壁虎倒掛在天花板行走（圖片來源：Editor abcdef –
Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38806582）
n為什麼壁虎可以如此行走？
所示。
）
。
。
，則其凡德瓦力可表示為
Micro Electro
Mechanical Systems。這一系列的研究，讓世人能一窺壁虎黏著能力的秘密，亦即壁虎巧妙地運用了大自然間最微弱的分子間作用力—凡得瓦力。
圖2：壁虎腳趾的結構(引自Autumn, K source: How gecko toes stick. American Scientist 94, 124-132)
n「壁虎效應」教具設計概念及其理論基礎
:
，也就是壁虎效應中吸附力與尺度大小的關係。
進行研究。科學家發現，這些不同身體質量的動物，由於相似的構造，使其因相似的原理產生極有效率的黏附行為，且如此現象是廣泛地存在於生物界的黏著系統之中。科學家透過實驗的量測，歸納出不同生物體剛毛的數量，與其本身的重量，彼此間呈現趨近於線性的關係。也就是說，對於不同的生物而言，在總接觸面積不變的前提下，越重的生物會透過演化出更細微的末端結構，以提高剛毛的單位密度，進而提升其吸附的能力。所以我們可以由此看出，即使尺度變大，但在相同接觸面積下，吸附力與接觸數量的關係，仍維持斜率趨近為正比的線性關係。
![clip_image016[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0161_thumb.png "clip_image016[1]")
，則：
![clip_image026[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0261_thumb.png "clip_image026[1]")
。
n高中「壁虎效應」教具設計與測試
。
所示。
圖3: O型環之內、外徑示意圖（圖片來源：張惠雯，2017）
圖4: 壓克力盒與其吊掛方式（圖片來源：張惠雯，2017）
圖5: 實驗裝置圖（圖片來源：張惠雯，2017）
。
圖6: 28BY J-48四相五線步進馬達與其驅動版(UNL2003) (圖片來源：張惠雯，2017）
圖6：壓克力盒緩慢上升時，O型環與水接觸的情形（圖片來源：張惠雯，2017）
![clip_image032[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0321_thumb.png "clip_image032[1]")
![clip_image026[2]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0262_thumb.png "clip_image026[2]")
![clip_image034[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0341_thumb.png "clip_image034[1]")
，與理論之推論相同。
圖7：力與O型環內徑關係圖
圖8：切割後之總吸附力與
之關係圖
n結語
中的各種假設為出發點，請同學想想如何驗證或推翻假設，最後再帶入本教具所需之表面張力概念。
n參考資料
壁虎效應。未發表之碩士論文，國立臺北教育大學，臺北市。
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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
[email protected]
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。
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。
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」（圖1）。圖1（左）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（右）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。
圖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)
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
，會顯現出親水性，特別是接觸角小於
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]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0081_thumb.png "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
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。
圖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。
，所以表面張力
。三個表面張力造成的合力不為零（圖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（圖3c）。
圖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)
)、固體/空氣(
)、以及固體/水(
)，它們所對應的表面張力分別為
、
以及
，受力之方向都是朝向縮小各表面能所對應的面積，其中
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4a中![clip_image028[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0281_thumb.png "clip_image028[1]")
鉛直分量朝下，故可判斷
，此時
（親水性）。另以水銀為例（圖4b），水平合力以及鉛直合力也都必須為零，圖中![clip_image028[2]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0282_thumb.png "clip_image028[2]")
鉛直分量向上，故可判斷
，此時
（疏水性）。
圖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）
![clip_image032[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0321_thumb-1.png "clip_image032[1]")
)和固體/氣體(![clip_image030[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0301_thumb.png "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（圖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]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0121_thumb.png "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。
圖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）
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（圖6），我們依據此專家概念圖設計了五節課的教學內容。
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。
圖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）。
圖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
時（亦即![clip_image040[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0401_thumb.png "clip_image040[1]")
），會出現疏水性；反之，
時（亦即![clip_image036[1]](http://chemed.chemistry.org.tw/wp-content/uploads/2021/06/clip_image0361_thumb.png "clip_image036[1]")
）會出現親水性。
圖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）
圖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）
圖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）
圖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）
圖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）
表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（圖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。
圖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)
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。
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。(ISBN：978-986-04-5288-4)
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