第二十二期 主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所教授美國國家科學教學研究學會（NARST）甫卸任理事長（Immediate Past President）國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員mhchiu@ntnu.edu.tw 1867年（距今150年前）的11月7日居禮夫人誕生於波蘭華沙，父親是中學數學和物理教師，母親是音樂教師。居里夫人在索邦大學（Sorbone，即後來的巴黎大學）求學時，獲得雙碩士學位，分別是數學和物理。她曾對友人說：第一次在實驗室工作，就讓我確信我對實驗的興趣。她在66年的歲月中，為科學界留下許多的典範，尤其是她所創造的事蹟都成為後世爭相傳誦的傳奇故事，並成為後來許多女性科學家的楷模。不僅如此，男性科學家雖然在那時代對女性地位的不重視，但她也獲得了許多科學家的肯定與敬重，愛因斯坦就曾說：她是名流中唯一不被盛名腐蝕的人。這一條科學之路走來並不容易。圖一為居禮研究所中的居里夫人辦公室和玫瑰園中的居禮夫婦銅像。 圖一：居里夫人辦公室（左）和居禮夫婦銅像（右）（作者攝於2017.05.31） 為紀念居理夫人的貢獻，今年十一月在全球各地都有些慶祝活動，尤其是歐洲。談到居禮夫人，無可避免地一定都會談到她在1903年同時獲得博士學位和諾貝爾物理獎（Becquerel和居禮夫婦共同獲獎），八年後於1911年居禮夫人獨得諾貝爾化學獎，更加肯定她在科學界的貢獻與地位。在2011年聯合國宣稱該年為國際化學年，以茲紀念居禮夫人獲得諾貝爾化學獎100年及其在化學上的輝煌成就與對人類的貢獻。居里夫人（是當時少數擁有駕駛執照的女性）在第一次世界大戰期間開了一部暱稱為迷你居禮的小型X光行動車（見圖二）穿梭於戰場間，協助治療戰場中受傷的士兵，戰後還培育150名護理人員使用放射性儀器療病，但她直到1929年才開始進行專業性地放射性治療，因長期暴露在放射線物質的環境中，數年後（1934）居禮夫人即死於惡性的白血球缺乏性白血病（aleukemic leukaemia）。次年（1935年）居里夫人的女兒艾蓮·居禮（Irene Joliot Curie）即獲得諾貝爾物理獎，成為居禮家族第三位獲得諾貝爾獎的人（居禮家族共獲得五座諾貝爾獎），可惜她的母親卻未能親見其獲獎一幕。 圖二：迷你居禮的小型X光行動車 倒是有幾件鮮為人知的事可以在此提一提，首先是居禮夫人雖然在索邦大學（Collège de Sorbonne）進行她的研究，但她從未忘記她的祖國波瀾，幾乎所有發表的研究成果，必定兼顧以法文和波蘭語發表；其次，當諾貝爾家族在1990年代中期想要將她的期刊和手稿捐給國家圖書館時才發現這些書籍或文稿的放射性已超標，必須再隔兩年當輻射量減少時才能送到國家博物館供人們參閱。這樣的研究環境並未阻礙她研究的熱誠與使命感；其三，居里夫人與幾位同校的科學家一起為他們自己的孩子開班授課（即今日的合作教學，居里夫人可算是實施此法的前輩了。），大家將實驗室的器材拿出來帶領孩子們認識科學家的活動，也讓孩子們親自透過實驗來認識科學。居里夫人是個喜歡發問的教師，她會不斷問：為什麼？你怎麼知道？發生了什麼反應？那你認為呢？又如水是如何到達水龍頭的？怎樣使船浮起來？如何秤重呢？等等生活實例。這些種種事蹟，讓我們除了認識到她的偉大研究成就外，對她堅持孩童身體力行動手做實驗的科學活動的重視有所體會，在在也都讓人見識到其對科學的執著、高尚的人格與屹立不搖的堅毅態度，這些亦是受人景仰與愛戴的原因之一。 因為女性之故，她在1910年時被法國科學會拒絕成為會員之一，這種性別的刻板印象，雖已事隔多年，但至今依然存在。也就在同一時間，今年11月7-8日，臺灣師範大學科學教育所舉辦為期兩天的性別差異工作坊，該計畫是由十一個國際科學組織（含IMU, IUPAC, IUPAP, IAU, ICIAM, IHUPST, UNESCO, IUBS, GenderInSite, OWSD, and ACM）向國際科學會（International Council for Science, ICSU）申請到的三年計畫，預計2018年調查全球女性科學家和女學生在科學就業與求學的經歷與觀點。性別差異的議題從未終止過，現實社會中如何以制度去支持女性以科學為志業、如何建立良好方案協助女性發展其在科學研究的潛力，以減少兩性之間的差異性，尤其是開發中國家女性成為重要的人力資源，實為持續性值得關注的議題。就近日所見所聞與大家分享。 此次本期專題就以〈當藝術遇見化學〉為題，希望透過不同的視角讓學生認識化學、欣賞化學、拓展對化學的認知、進而沉浸在學習化學的樂趣之中，以充分享受化學與美學所交織成的藝術品！楊水平教授受邀擔任此次專題的特約主編，在楊教授的力邀之下，此次共有11篇化學與藝術的文章，其中不乏以實驗展現繽紛色彩的化學變化（含陳映辛和馮松林的〈玩樂皂化之美〉、周芳妃等人的〈結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中〉、〈王琪羿和高貫洲的〈藍染魔法與化學神功的融合交會〉、廖旭茂的〈用化學蝕刻製作銅板作品〉、張明娟和許文英的〈鑲嵌玻璃與化學的激盪〉）；串珠作品展現化學結構之美（范原嘉、金必耀、左家靜的〈第一型晶籠水合物的串珠模型之結構與製作〉）；精密儀器呈現微觀之美（如曾曉凡和陳俊太的〈科學顯微影像與藝術創作〉）；以及藝術品的保存與修復（如胡景瀚的〈化學在藝術品和文化遺產保護的應用〉、邱美虹和曾茂仁的〈新型凝膠修復西畫〉、林佳穎的〈西畫除黴的跨科教學活動設計〉）。篇篇精彩，帶讀者進入美的世界。而常態性文章則為兩篇以國小化學實驗活動為主，分別是葉雅婷的〈國小自然教室裡的化學探究與實作─以製作天氣瓶為例〉和李萍的〈國小學生製作薑黃試紙進行「無字天書」活動〉。  

當藝術遇見化學 楊水平 國立彰化師範大學化學系yangsp@cc.ncue.edu.tw   化學學科與藝術領域是平行不交集？還是有交會之處？本文試圖從化學與藝術的分歧談起，接著探討化學與藝術交會的可能性，然後簡介化學與藝術的推廣和研究，並且提供化學與藝術的教材舉隅，最後簡要地提到這一期11篇專題文章的導讀。 n  化學與藝術的分歧 一、  化學是科學的中心 科學（Science）是建立並組織有關宇宙有系統且可檢驗、解釋及預測的知識。現代科學通常分為自然科學、社會科學及形式科學像數學，自然科學研究物質世界，而社會科學研究人與社會。實驗科學的學科如工程學和醫學也被認為是應用科學。從古代到19世紀，知識的科學與現在的哲學有著緊密的關連。事實上，自然哲學包含現今與科學有關的學習領域，例如：物理學、天文學、化學、生物學、地球科學及醫學等。在現代科學中，以客觀性和重複性等原則為目標。[1] 化學（Chemistry）是研究物質的性質以及如何和為何組合或分離而形成其他的物質，並且探討物質如何與能量相互作用。涵蓋物質的組成、結構、性質、行為，以及它們在與其他化合物反應過程中所經歷的變化。在科學的層次上，化學處在物理學和生物學之間的中間位置。化學有時被稱為中心科學（central science），因為化學為理解基礎學科和應用科學奠定基礎。[2] 化學主要有五個分支，每一分支都有很多研究領域。這些分支有：物理化學結合化學和物理學。有機化學專門研究含有元素碳的化合物。無機化學研究的材料，如金屬和氣體，非碳作為其結構的一部分。生物化學是生物體內發生的化學過程的研究。[3] 圖一是化學又稱為中心科學，化學是科學的中心，它與科學各領域有著密切的關係，舉凡生物化學、材料科學及環境工程，甚至藥理學、法庭醫學和古畫鑑定皆是。 圖一：化學又稱為中心科學（楊水平製） 二、  藝術領域涵蓋廣泛 藝術（Arts）是指在人類社會和文化中發現有創造力的理論和表現。藝術的主要成分涵蓋：文學（literature）包括詩歌、散文及戲曲；表演藝術（performing arts）包括音樂、舞蹈及戲劇；而視覺藝術（visual arts）包括圖畫、繪畫、攝影、陶瓷、雕刻及建築。一些藝術的形式會與視覺元素與表演（如電影）或藝術品與書面文字（如漫畫）結合在一起。從史前石窟繪畫到現代電影，藝術作為敘事的載體，傳達人類與環境的關係。[4] 美國國會在國家基金會裡的藝術與人文法案中，藝術被定義為包含不限於音樂（器樂和聲樂）、舞蹈、戲劇、民間藝術、創意寫作、建築及其相關領域、繪畫、雕塑、攝影、平面和工藝、工業設計、服裝和時裝設計、電影、電視、廣播、電影、錄影、錄音，以及這些主要藝術形式的演示、表演、執行及展覽有關的藝術。[5] 圖二展現平面攝影也是藝術表示的形式之一。 圖二：透過樹的造型拍攝的抽象藝術照片 （圖片來源：Bo Insogna, MrBO.com, https://goo.gl/pUWkuE） 藝術是創造視覺、聽覺或表演藝術品的人類活動，表達作者的想像力或技術和技能，以其美感或情感的力量為鑑賞。這些活動最普遍的形式包括藝術作品的製作、藝術的批評、藝術史的研究、以及藝術的審美傳播。[6] 藝術與美術常常劃上等號，在臺灣教育界常常出現爭議，而造成學生對相關藝術類目的困惑。一般說來，藝術有廣義和廣泛的概念，美術是狹義的，僅是藝術的表達形式之一。繪畫、雕塑、建築、文學、音樂、戲劇、舞蹈、電影等都為藝術分類範疇。所謂的美術是指以繪畫、雕塑為核心的視覺藝術。[7] 從上述〝化學是科學的中心〞和〝藝術領域涵蓋廣泛〞觀之，兩者實在南轅北徹且互不相干，更互不包容。然而，在實際的創作和教育方面，無可否認地化學與藝術還是有交會之處，接著探討化學與藝術交會的可能性。 n  化學與藝術的交會 自從洞穴居民用礦物顏料塗抹在岩壁上後，藝術與化學就產生相互的關聯。現今的化學家製造顏料和染料並保持顏色數十年不變；1萬年前的洞穴繪畫到從20世紀50年代的藝術，化學家認證、保存及恢復藝術文物；化學家還開發戲劇和電影作品的化妝和特效。這些在在顯示藝術與化學關聯密不可分。[8] 已知最早的動物洞穴畫/動物圖畫至少有35000年的歷史，位於印度尼西亞南蘇拉威西省Bantimurung的Maros地區的洞穴中，如圖三左所示。[9] 以前認為，最早的繪畫作品在歐洲，可追溯到大約30000-32000年前的奧里尼亞克（Aurignacian）時期，在法國的查韋特山洞（Chauvet Cave）和羅馬尼亞的科里波亞山洞（Coliboaia Cave）找到，如圖三左所示。[9]    圖三：在印度尼西亞南蘇拉威西省的洞穴中找到約38000年前的壁畫（左），在法國的洞穴發現約30000前的洞穴鬣狗繪畫（右） （圖片來源：Cave paintings, https://en.wikipedia.org/wiki/Cave_painting） 科學的進步是透過知識分子之間達成共識，科學重視客觀性和重複性。而藝術通常在情感層面進行溝通個人的概念和觀點，以主觀性重視個人的表達和對情緒的影響。若教師呈現科學以藝術和想像以及客觀和準確，學生對科學和科學家所關心的問題會有更全面的了解。[10] 在藝術保護方面的職業生涯裡，需要具有碩士學位的保護或密切相關的領域和豐富的工作經驗。在美國修習化學與藝術課程的研究生是非常有競爭力的，他們需要有化學、考古、工作室藝術、藝術史和可能一種或多種外語的先期工作經驗（或實習或學徒）和學術背景。[11] 文化遺產（Cultural heritage）是具有歷史、技術、文化及藝術價值的古蹟和文物之複合體。文化物品主要透過化學變化而遭受退化。化學的角色是理解、預防、控制及修復這種轉變。因此，化學及其技術深深涉及文化遺產。化學家預防或減緩這種變化是一個巨大的挑戰。保護技術包括排除與空氣的接觸、溫度和濕度的控制、清除髒物層等。保護文化遺產如同所有物品一樣，文化物品具有確定的化學成分和化學反應。保護文物和減輕這些因素的負面影響是化學的關鍵任務。[12] 還有，STEM教育不僅是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）及數學（mathematics），而且它也被認為是一門獨立的科目。STEM是對設定主題的應用綜合方法。這是關於使用數學和科學來解決現實世界的挑戰和問題。這種以計畫為基礎的教與學的方式，使學生能夠理解並欣賞其工作與周圍世界的相關性。STEM教育是美國今天最受關注的課題之一，STEM教育是提高教育績效並解決困擾著美國勞動力持續發展問題的關鍵解決方案。越來越多的倡導者認為STEM缺少一個關鍵的組成部分，這個部分是藝術（art），即STEM成為STEAM。此外，STREAM或STEMM是融入閱讀（reading）或音樂（music）在STEM中，增強這些領域教學和學習的相關性。這些是基於培養學生的好奇心、幫助他們發展創造力、解決問題和批判性思維能力而發展出來。[13] 圖四展現STEM整合藝術到教育，很多學者主張融入藝術到K-20教育中。 圖四：STEM整合藝術到教育成為STEAM （圖片來源：STEM TO STEAM, http://www.get-to-know.org/steam/） 在2002年的TED上，一位醫生兼舞蹈演員且是第一位非裔美籍太空婦女Mae Jemison說：「科學與藝術的區別並不在於它們是同一枚硬幣的不同側面……甚至是同一個硬幣的不同部分，而是相同事物的表現形式，藝術和科學是人類創造力的化身。」[14] […]

當藝術遇見化學：鑲嵌玻璃與化學的激盪 張明娟1,2,*、許文英3,4,* 1國立武陵高級中學2教育部高中化學學科中心3新北市立明志國民中學4臺灣工藝發展協會1bcat1764@gmail.com; 3wen07798@yahoo.com.tw n  鑲嵌玻璃 鑲嵌玻璃（Stained glass）是指以彩色玻璃作為材料或從事其創作的藝術1，是從羅馬帝國時代就開始流傳的彩色鑲拼窗戶形式，特別是在早期歐洲的教堂容易看見。2 鑲嵌玻璃在製作的程序上，要先把各種顏色的玻璃依照設計圖樣切割好，再用鉛（熱膨脹係數3 α: 29.3，避免壓損玻璃）為主要材料做成H型的長條，彎成所需形狀拼接圖案。傳統上，製成平板並用作窗戶的玻璃面積大，承受的重量大，因此會使用 H型鉛條、U型鉛條或U型鋅框固定（鋅框較硬、價格高、大件作品較堅固）再點焊接縫處，例如日本神戶風見雞館窗戶，如圖一左所示；檯燈罩則因為面積小，組合的片數多，因此使用銅箔包覆緊密後，並在燈模上組合焊接，用錫焊接，焊接外面後脫模，再焊接裡面，修整後，才能完工。因此，鑲嵌玻璃的特色就在於每一塊彩色玻璃的周圍都有條紋勾邊的特殊效果。現代鑲嵌玻璃藝術家的創作也包括三維結構和雕塑，最著名的例子就是由路易斯·康福特·蒂芙尼所創作的〝威尼斯〞檯燈4，如圖一右所示。    圖一：日本神戶風見雞館窗戶（左），特威特蒂芬妮工作室〝威尼斯〞檯燈（右） n  鑲嵌玻璃創作 鑲嵌玻璃製作的技術性難度很高，所使用的工具與材料也相對多，茲就製作〝小夜燈〞鑲嵌玻璃所需用到的工具與材料分述如下： 一、   選擇欲使用各種彩色玻璃的材料，如圖二所示。 圖二：彩色玻璃的材料 二、   玻璃切割工具：切割刀、速剪鉗、曲嘴剪鉗、馬賽克剪鉗、塑膠製速剪鉗、角尺壓尺、清潔刷、銅箔、銅箔壓磨棒、銅箔用紙樣剪刀、以及焊錫，如圖三、圖四所示。 圖三：玻璃切割工具 圖四：製作鑲嵌玻璃包覆玻璃的銅箔、銅箔壓磨棒、剪透明片用的銅箔用紙樣剪刀與焊接用的焊錫 三、   鑲嵌玻璃製作輔助用品和清潔用品：助焊劑、染黑劑、防汙油、除污去霉油、以及玻璃切割油，如圖五所示。 圖五：鑲嵌玻璃製作輔助的用品 四、   鑲嵌玻璃焊接工具和配備：烙鐵及烙鐵架、焊槍、鋼絲絨、電源控溫器、玻璃研磨機和清潔用品，如圖六所示。 圖六：鑲嵌玻璃焊接工具配備及清潔用品（左），玻璃研磨機（右） n  鑲嵌玻璃製作流程 接著，以製作〝小夜燈〞鑲嵌玻璃為例，其製作流程如下所述： 1.        畫出設計圖：先用鉛筆在白紙上畫出設計圖，再用簽字筆勾繪出粗線條的圖形，如圖七所示。最好以彩色畫稿並依照欲製作的實體大小畫出設計圖，以利切割出實際大小的彩色玻璃片。 圖七：畫出設計圖 2.        放一張透明片在設計圖上，描繪出設計圖上的圖案，如圖八左所示。用銅箔用紙樣剪刀剪裁透明片的圖案，形成小片狀並編號，如圖八右所示。 圖八：在透明片上描繪設計圖（左），剪裁透明片的圖案（右） 3.        在原稿圖上編號碼，也將剪好的透明片寫上號碼，方便辨識位置的順序；並分別放在欲切割的彩色玻璃上，用簽字筆先描繪出圖案的形狀，再用玻璃切割刀切割玻璃，切割好的玻璃也要寫上編號，如圖九左所示。用玻璃研磨機，研磨各小塊的玻璃邊沿使之平滑，如圖九右所示。 圖九：切割玻璃成小塊狀（左），研磨各小塊的玻璃邊沿（右） 4.        排列各小塊研磨好的彩色玻璃，確認組合起來是否完整，如圖十所示。 圖十：組合各小塊研磨好的彩色玻璃 5.        用銅箔，包住各小塊的玻璃邊沿，並用銅箔壓磨棒壓磨銅箔的表面，使銅箔與玻璃緊密黏合平整，以利焊接，如圖十一所示。 圖十一：包銅箔 6.        先用膠帶略為固定組合好的玻璃片，用筆刷塗助焊劑，在沒有膠帶的位置，再將烙鐵和焊錫，用點焊的方式先固定位置，然後撕去膠帶，再仔細焊接各小塊玻璃。正反兩面都需要焊接，組合完成〝小夜燈〞鑲嵌玻璃的圖案，如圖十二左所示。在鑲嵌玻璃作品的背面，找到適合的位置並做記號，焊接燈座的夾鐵，如圖十二右所示。   圖十二：焊接組合鑲嵌玻璃的圖案（左），在背面焊接燈座的夾鐵（右） 7.        用牙刷、清潔劑和水，清洗作品後並擦拭乾淨，將燈座套上夾鐵，測試作品，如圖十三所示。 圖十三：清洗後的鑲嵌玻璃作品 […]

當藝術遇見化學： 藍染魔法與化學神功的融合交會 王琪羿1,*、高貫洲2,* 1臺北市立復興高級中學2臺北市立中崙高級中學*chii71edu@gmail.com; popenick88@gmail.com n  前言 從古自今，全世界不分男女都愛藍色，藍色有著謹慎、可靠、安全的正向意涵，也與自然界有著極強的關聯性，讓我們聯想到乾淨的水和清澈的天空。它與內心的安全感能產生共鳴，藍色有助減少壓力，創造平靜，放鬆以及秩序感，它同時是代表和平與安寧，並且促進身心放鬆的顏色。 人類為了滿足人體的自然需求開始穿衣，更為了展現美麗在衣服上染成色彩，先民從大自然的礦物和植物中萃取出各色染料，並將青、黃、赤、白、黑稱為五色，再將五色混合調配出其他的顏色。由於植物染料取材較容易，且可以栽種來大量收集，因此使用最普遍。相較於其它顏色，藍染的天然染料，除具有染色功用外，尚具有耐髒、耐磨、防蟲、消炎的功效上優勢，因此易於被一般平民百姓所接受使用，因此藍色成為東西方重要的庶民色彩。 n  藍染的歷史 根據「藍色繽紛中國西南少數民族藍染圖錄」一書中所述：「藍靛做為染料之歷史已相當悠久，從考古資料顯示，西元2400年前古埃和第五王朝時代就已使用藍靛來染色，時至中王國時代，廣泛的將藍染應用於織品上。」1顯示出遠在古埃及時人類便知利用藍草染色。在中國，藍染起源可追溯至三千多年前，在周朝時代就有植物染的相關記載，並且設有專門管理染色的官職「染人」。在秦代則設有【染色司】、唐宋設有【染院】、明清設有【藍靛所】等專職染布染色的管理機構。「中國歷代服飾」記載：「秦漢巾幘色『庶民為黑、車夫為紅，喪服為白，轎夫為黃，廚人為綠，官奴、農人為青』。唐以官服色視階官之品。」2可知在周朝以後都有對衣著服飾顏色的相關規定，平民百姓因長期需要在外工作，需使用耐髒汙的深色，故紺青色3（見圖一）為平民主要使用的色彩。以色彩心理學角度來看，紺青色則有較為樸素、不明顯感，符合平民給人的印象。隨著歷史的演進，服裝色彩已跳脫身分標示，更能表現個人喜好與特色。   圖一：紺青色的色階變化 （圖片來源：琉璃色、紺色、普魯士藍，https://goo.gl/zjkKuA） n  臺灣藍染 近年來環保意識抬頭，生活美學注重樸實、天然，讓藍染這項流傳千年的技術也再次受到重視，為保留臺灣傳統藍染產業，1990開始任職國立臺灣工藝研究的馬芬妹老師開始研究臺灣藍染，1994年積極推動藍染人才培育，2002年開始好幾家農園和工坊開始計畫性栽植山藍，使得藍靛染料成為可接受訂購的農特產品。 臺灣陽明山早期是藍染原料的大菁的主要栽植地，於清代時期開始，藍靛業就成為重要的產業項目之一。過去陽明山區的溪流旁都會種植山藍，又稱大菁，是天然靛藍的植物。1850年代，臺灣的「靛藍」是重要的外銷產品，史料中記載「1880年，靛藍的數量占輸出貨品之第三位，僅次於稻米及煤炭…。」昔日，陽明山區如鹿角坑溪、大尖後山、竹仔湖、平林溪、菁礐溪、木屐寮等地都種植山藍且設置菁礐（音ㄑㄩㄝˋ，是臺語常用的『坑池』意思），許多地名也都和「菁礐」有關，如頂菁礐、中菁礐、下菁礐、菁山路、平菁街等等，由此可見當時製藍產業的普遍。後來，北部的茶產業興起，植茶的獲利較高，農民紛將藍圃改為茶園，至1864年左右，德國人造靛藍研發成功後，至1890年，德國人造染料居於絕對領先地位，天然的靛藍被趕出市場，臺灣的製藍業、染布業從此一蹶不振，終於在1920年左右結束生產。4 2004年陽明山國家公園管理處在大屯自然公園使用古老傳統工法，用石灰及混砌石塊、砂石，復舊臺灣第一個「菁礐」藍染設施，其中包括有兩個圓形浸泡池和一個長方形的沉澱池，並結合社區文史工作坊或保育團體來推廣認識並推廣藍染文化。另外民間社團三角湧文化協進會、臺灣田野學習協會—二格山自然中心、臺灣天然染色研究推廣中心、臺灣藍染學會、三峽藍染生活工坊、三義卓也小屋…等，都不遺餘力的推廣臺灣藍染，也得到很好的推廣成果。 n  藍染的實作 因應各校環境設備不同，傳統藍泥的建藍方式須以發酵水解法生成靛藍，是利用生物繁殖發酵原理進行，通常製藍和建藍需耗費很長的時間等待天然微生物自然發酵，無法控制時間。以下介紹藍靛液調製法，使用以木藍植物作為原料製成的藍靛精粉，成分天然也方便於課堂上短期操作體驗。 在染色技法方面，坊間有許多染色技法的書籍可以參考操作，本文以最易上手的紮染5來做介紹說明，因為紮染沒有技術限制，只要紮綁得宜，不要太鬆或太緊，任意紮綁都可以染出美麗的紋樣。 一、藍染液的調配 藍染液的調配材料有：藍靛粉、水、氫氧化鈉（Sodium hydroxide, NaOH）及低亞硫酸鈉或稱連二亞硫酸鈉（Sodium Hydrosulfite, Na2S2O4），加上棉布（天然纖維），其比例如表一所示。 表一：調配藍染液的材料和比例 材料 藍靛粉 水 氫氧化鈉 低亞硫酸鈉 棉布 比例 1 300 1 1 15 範例 20 g 6000 mL 20 g 20 g 300 g 二、調製藍染液 […]

當藝術遇見化學：玩樂皂化之美 陳映辛1,2,*、馮松林1,2 1國立竹山高級中學2教育部高中化學學科中心*cs60006@gm.cshs.ntct.edu.tw n  前言 生活和化學息息相關，我們致力於教導學生在日常生活中活用所學的化學知識來讓自己的生活更安全、更健康、更天然、永續發展而不危害地球。因此設計實驗時越來越貼近生活，讓學生知道科學就是生活中的一部分，我們設計選修課時由皂化反應入手，因為皂化反應不但操作簡單而且結合生活，還可以讓學生發揮藝術創作。 n  手工皂簡介 冷製法（Cold Process）製作手工皂，其成分只有脂肪酸鈉、甘油和水分，容易被環境中的細菌分解。市面上合成的清潔劑不但不易被細菌分解，甚至含有環境荷爾蒙，有些會造成生物基因突變。因此手工皂比一般市售清潔劑來得安全、環保。再者，自製手工皂的好處很多：(1)可以針對不同季節、不同膚質、不同用途設計不同的配方；(2)可以利用不同油品來調整清潔力、潤膚性；(3)可以加入不同植物粉、中藥粉達到不同訴求；(4)可以利用天然植物油脂及植物粉來改變顏色；以及(5)可以運用技巧、手法使手工皂結合藝術之美。最重要的是學生可以自己做出專屬個人風格的手工皂，每一顆皂都是獨一無二的！ 本文介紹三種方法來改變成皂的顏色：(1)利用天然植物油的顏色—紅棕櫚皂、(2)利用植物粉改變顏色—青黛粉、備長炭粉、茜草粉、低溫艾草粉、以及(3)利用植物浸泡油呈色—紫草皂。再者，利用四種方法來展現顏色的分布：(1)分層法、(2)渲染法、(3)電波渲染法、以及(4)漸層法。 手工皂製作的流程：製作不同手工皂的程序相同，只是油和氫氧化鈉和水比例不同而已，製作的流程如圖一所示。 圖一：手工皂製作的流程 n  材料及器材 (一) 器材：電子磅秤、量杯數個、皂模（可用紙杯或牛奶盒代替）、不鏽鋼鍋、刮刀、玻棒、打蛋器、湯勺。 (二) 材料：油品：椰子油、棕櫚油、橄欖油、未精製乳油木果脂、米糠油（玄米油）、紅棕櫚油、紫草浸泡橄欖油，氫氧化鈉、冰塊；精油：薰衣草、大西洋雪松、茶樹、甜橙等；植物粉或礦物粉：青黛（藍色）、備長碳粉（黑色）、茜草粉（粉紅色）、低溫艾草粉（綠色）。 n  手工皂配方 (一) 四季通用配方，如表一所示。 表一：四季通用手工皂的配方 油脂名稱 油品重量（g） 皂化價 NaOH重（g） 硬度 （INS） 比例（%） 橄欖油 300 0.134 40.2 109 50 棕櫚油 200 0.141 28.2 145 33.4 椰子油 100 0.190 19.0 258 16.6 總量 600   87.4 146 100 […]

當藝術遇見化學：結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中 周芳妃1, *、張永佶1、詹莉芬1、吳淑芳1、陳祖望1、李盈萱2、吳和臻1、陳怡孜1 1臺北市立第一女子高級中學2上海華東臺商子女學校*ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw; fangfei7680@yahoo.com.tw n  前言 五光十色的煙火常令人目眩神移，拍手叫好。當代創作藝術家蔡國強先生的作品中，結合了東方文化的美學和哲學，將煙火爆破與流放色彩做恣意不羈的創意奔流，發揮創意的熱情正是我教育轉型的典範，其內涵也孕育了探究與實作的精神。以「神奇酒精凍與七彩焰色實驗」的課程設計—利用隨手可得的物品和簡易安全的化學藥品，把探究創作帶進實驗室，提供學生動手作的探索學習，透過互動式的自我探索，學習物質的採量、微觀世界的變因討論、色彩煙火的成因等團隊合作的學習模式，透過自評與他評的評量方式，尋找科學與藝術美學的脈絡，最後透過學生的內心世界結合課程發想，提起五彩的色筆繪出自我的浪漫色彩。學生體驗學習化學的精采與樂趣以及發表的文學設計，或許無法像蔡國強先生的創作能帶來對社會的省思與實踐，但這絕對不僅是一堂欣賞化學變化與多彩焰色的化學課，更是結合科學、人文與藝術的學習之旅。 本課程設計希望在中學實驗室中或一般教室裡，以安全簡單的裝置操作實驗，就可以呈現繽紛多樣的七彩焰色。本課程設計包涵兩項實驗，如圖1所示。第一項實驗為神奇酒精凍，將易燃的酒精燃料製做成固態的酒精膠體，大大提高燃燒實驗的安全，符合綠色化學精神。第二項實驗為七彩焰色，利用安全的酒精凍作為燃料，只要加熱微量的氯化銅固體與少量紙張，便能讓煙火的場景重現。 圖1：五光十色的煙火表演與「神奇酒精凍與七彩焰色」實驗裝置 n  原理和概念 一、  神奇酒精凍實驗 臺北市立第一女子高級中學（北一女中）學生蔡孟儒等人在民國92年的全國科展得獎作品「芳香酒精帶著走—探討促凝劑對酒精凝膠之影響」，研究發現以適當濃度的冰醋酸水溶液與氫氧化鈣固體中和，配製產生醋酸鈣飽和溶液，搭配一些植物香精、多元醇類或醣類，可以成功製作出固態的芳香酒精凍。酒精凍的微觀系統中涵蓋了很多種粒子間的交互作用（見圖2），包括了離子鍵與分子間作用力，以及離子與分子間的溶合作用，當酒精凍各成份的濃度比例條件都很適當時，而且成分均勻混和，再加上適當的靜置時間，微觀系統的多種交互作用就可達到平衡，使液態的酒精與醋酸鈣溶液變成固態的膠體。 圖2：酒精凍的微觀系統中涵蓋了很多種粒子間的交互作用 二、  七彩焰色實驗 北一女中學生李映璇等人在1997年的國際科展得獎作品「Green Chemistry—當毛細管遇到煙火」，研究以一隻小小的毛細管裝置，完成化學課本中許多熱分解實驗，並應用開發七彩煙火配方。發現藉著酒精燃燒時的火焰高溫，可使氯化銅的銅(II)離子上的電子因躍遷而產生特殊的焰色。如果在可燃物中加入碳，使火焰中也有碳粒存在時（類似還原焰），銅(II)離子就被還原成銅(I)離子或是銅原子。若加入足量酒精，或是反覆加入酒精進行燃燒試驗，氯化物逐漸轉換為氧化物，整個過程多種價數和型態不同的銅化合物所產生的焰色，將漸漸改變。 在本實驗設計中，採用安全的酒精凍、衛生紙、氯化銅三種容易取得的配方，就可觀察到依序多變的火焰顏色。從一開始先看到酒精和衛生紙燃燒產生的淡藍色、黃色、橘黃色火焰。接著，銅(II)離子產生綠色火焰，隨著衛生紙碳化過程，有些銅(II)離子也逐漸還原到較低氧化數狀態，就可以逐漸觀察到焰色由綠光轉變到藍光、紫光、白光等多層次的彩色光譜。若想要觀察到紅色火焰，則可以加入微量氯化鍶或硫酸鋰。 n  實驗器材與試劑 一、  神奇酒精凍實驗 每組用量：氫氧化鈣（每份0.5 g）、15~20%冰醋酸（10 mL，裝入小滴瓶中）、酚酞指示劑（一些）、95%酒精（25 mL，外觀無色）、工業酒精（25 mL，外觀粉紅色，含水量不確定）、混合酒精（25 mL，以95%酒精與工業酒精1:1混合，再加色素染成橘色，含水量不確定）、玉米塑膠杯（30 mL、有5 mL刻度線、2個）、塑膠滴管（1支）、玻棒或塑膠棒（1支）。 二、  七彩焰色實驗 每組用量：酒精凍（10~25 mL，一顆）、火柴或打火機（1個）、衛生紙（1張）、鋁罐（1個）、氯化銅固體（約綠豆大小的量）或大約1 M氯化銅水溶液5 mL（可用實驗回收的1 M硫酸銅加入氯化鈉固體調製）。化學試劑與相關的GHS安全資料，如圖3所示。   圖3：器材和試劑 （圖片來源：deltaMOOCx化學鍵綠色化學實驗，https://www.youtube.com/watch?v=mvRq-gLwwtQ） n  實驗步驟 一、  神奇酒精凍實驗 (一) 實驗步驟 1.        取0.5 g（或任意1小匙）的氫氧化鈣加入杯中，再加入1滴的酚酞指示劑，然後在杯中漸漸滴入15~20%醋酸溶液，每5~10滴醋酸就暫停，先用玻棒攪拌20~30下，再繼續加入醋酸溶液，直到酚酞的粉紅色褪色，如圖4所示。 圖4：配製醋酸鈣飽和溶液 （圖片來源：deltaMOOCx化學鍵綠色化學實驗，https://www.youtube.com/watch?v=mvRq-gLwwtQ） 2.        […]

當藝術遇見化學：用化學蝕刻製作銅板作品 廖旭茂 臺中市立大甲高級中學教育部高中化學學科中心*nacl880626@hotmail.com n  簡介 先前筆者在本期刊《臺灣化學教育》第二十期發表〈大型印台和銅板電化學蝕刻製作〉，利用電解蝕刻（electrolytic etching），使金屬表面出現具有凹凸對比的立體圖案。在楊水平教授的邀請下，在本期「當藝術遇見化學」專題撰寫相關文章，筆者嘗試利用其他化學方法進行蝕刻教學，並設計為化學與藝術結合的特色選修課程教學活動。 進行化學蝕刻可分為兩方面：第一方面是圖案的繪製與設計；第二方面是化學蝕刻。前者學生可以在瀝青或軟蠟等疏水性材料的覆蓋下，自行用金屬雕刻筆刀在銅板上刮除並繪製圖案，筆者在就讀國中時的工藝科的金工課程即是如此。若學生具有美術背景者，藝術效果會較好，製作的圖案具有美感。 學生也可以利用現成繪製設計好的圖案或模板，網路上有很多共享的設計圖提供給一般大眾使用1。關於金屬片貼上圖案的方法有數種，其一是卡典西得貼紙法，主要是，利用割字機，透過電腦設計圖，在卡點西得貼紙上割出圖案，再用鑷子尖端挑去部分貼紙後，再轉貼到金屬板上，相關做法筆者在本刊物已介紹過2。其二是利用雷射印表機，列印圖案到投影片或離型紙上，用電熨斗或覆背機高溫，使轉印圖案製作在銅板上3，再進行化學蝕刻。轉印過程通常會有少許黑色顏料剝離的現象，可以油性奇異筆填補瑕疵。其三是最常用的印刷電路板（printed circuit board, PCB）常用的光阻劑曝光法4，圖案就是先在金屬片上均勻塗佈一層光阻劑（現已有乾膜光阻可用），透用列表機輸出透明片底圖，緊貼放置在金屬片上，再透過紫外光或強日光曝光，讓光阻劑產生光聚合反應，接著用碳酸鈉顯影後，隨即生成正、負片影像。圖1是光阻劑曝光形成影像示意圖。 。 圖1：PCB微影蝕刻示意圖 化學蝕刻方面可分為三種方法：強酸腐蝕法、氯化鐵腐蝕法、雙氧水加EDTA腐蝕法。綜合來說，硝酸腐蝕銅板會產生有毒的二氧化氮氣體，必須在排煙櫃中進行，不環保也不很方便，基本上不建議使用，本文不介紹利用硝酸腐蝕銅板來製作銅板蝕刻，僅介紹後兩種；氯化鐵腐蝕的效果最好，不過產生的銅鐵混合廢液不好處理；最後的雙氧水蝕刻，蝕刻速率較慢，不容易在兩節課中完成，好處是反應不產生有毒廢氣，銅離子可以用電解法回收，算是三種化學方法中較符合綠色規範的。 本次實驗利用美術材料行販售的彩繪用塑膠模板，直接貼於銅板上後，以膠帶固定；模板鏤空的部分，隨即被氧化侵蝕凹陷，模板被遮蓋的部分，則維持不反應。兩種化學蝕刻結束後，直接將膠帶撕起，用過的塑膠模板可以重複再使用。用清水沖洗銅板後，完成蝕刻活動。圖2為兩種化學蝕刻比較圖。    圖2：兩種化學蝕刻反應過程，圖左蝕刻液為氯化鐵，圖右蝕刻液為雙氧水加EDTA-4Na n  藥品與材料 本實驗所需藥品和材料：銅片（厚0.5 mm，可依需求裁切出所需尺寸）、彩繪用彈性模板（flex stencils）、透明膠帶、塑膠淺盤、金屬亮光膏、擦拭棉紙、雙氧水（30% H2O2）20 mL、0.5 M 乙二胺四醋酸四鈉（EDTA-4Na）20 mL、1 M氯化鐵（FeCl3）40 mL。 n  實驗步驟 1.        取一購自美術材料行的彈性模板，常用於紙張、陶、木製品的裝飾上色，具有一定的黏性，可穩定黏著於光滑的金屬片上，實驗畢以清水沖洗後晾乾，可再拉起重複使用。同學使用時可依喜好、選取相關圖案。圖3：為市售的彈性模板。 圖3：可撕式並重複使用的彈性模板 2.        裁剪一塊大小接近的銅片，用藥用酒精擦拭表面油漬，乾燥後備用。取彈性模板貼在銅片上，接著以透明膠帶黏貼四周與背面。圖4為蝕刻準備圖。   圖4：金屬前、後面圖案外的空白處皆以透明膠帶黏貼密封 3.        取一個塑膠淺底盤，置入銅片後，再倒入1 M的氯化鐵溶液約40毫升，溶液量洽蓋過銅片即可，蝕刻過程中銅片會被氧化成難溶於水的氯化亞銅，可事先準備毛刷，輕輕刷除鏤空面的紅棕色沉澱，仔細觀察溶液的變化，蝕刻30分鐘後取出，並以清水沖洗乾淨。圖5氯化鐵蝕刻的過程。   圖5：倒入黃褐色的氯化鐵溶液（左），蝕刻10分鐘後溶液漸漸變成綠色（右） 4.        承上步驟，取一塊銅片和彈性模板，以膠帶黏貼穩妥後，用20 mL的30%雙氧水和20 mL的0.5 M的EDTA-4Na混合溶液取代氯化鐵溶液，仔細觀察銅片鏤空處和溶液的顏色變化。推測產生的泡泡為何種氣體？在進行蝕刻30分鐘後，取出銅片，以清水沖洗，並撕開膠帶和模板，模板清洗後陰乾，可供下次使用，圖6為雙氧水進行銅板蝕刻。   圖6：剛開始銅板表面產生氣泡（左），一段時間後溶液變成綠色（右） 5.          在步驟3和4的蝕刻的成品陰乾後，以金屬拋光劑來回擦拭直到光亮為止，最後噴上透明保護漆，做防鏽處理。圖7為成品加工處理。         […]

當藝術遇見化學：科學顯微影像與藝術創作 曾曉凡、陳俊太* 國立交通大學應用化學系*jtchen@mail.nctu.edu.tw n  前言 一直以來人，大多數或是學生都把科學研究視為很難親近的工作，也認為科學研究是很枯燥乏味的。為了能夠增進大家對科學研究的認識與了解，一種很有效的方式就是結合科學研究與藝術創作。本文作者所參與的研究工作是在國立交通大學奈米高分子研究實驗室進行，主要的研究內容是有關於高分子材料的製備與鑑定，所製備材料的尺度一般均在微米與奈米之間。本文將簡述作者利用實驗所得到的研究數據影像與藝術作結合之創作經驗。數據影像主要是由掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）拍攝而得，除了可佐證所嘗試的材料製備方法是否成功之外，也結合圖像美學、文字創作與科學意義，如圖1所示。所呈現之作品不僅可鼓勵學生們發揮想像力與創造力，也將進一步燃起對科學研究的熱情與興趣。 圖1：以顯微鏡拍攝之數據影像進行藝術創作概念圖 n  掃描式電子顯微鏡的科學原理 基本上，所有科學實驗得到的數據資料，都可以發揮創意將其與文學或藝術作結合。相對於紅外線光譜儀（Infrared Spectrometer）、拉曼光譜儀（Raman Spectrometer）等光譜儀器來說，利用光學顯微鏡（Optical Microscope, OM）或電子顯微鏡所得到數據影像更容易用來作為與藝術結合的素材。在本文內所呈現科學藝術創作的作品範例主要是以掃描式電子顯微鏡所拍攝。因此，在此先簡介掃描式電子顯微鏡的儀器操作及其簡單成像原理。 掃描式電子顯微鏡是一個鑑定材料表面形貌很有用的儀器工具，可以知道樣品表面的形貌高低，甚至是組成的成份。主要的原理是先由電子槍（electron gun）產生電子束（electron beam），再經過電場所控制之電子透鏡（electronic lens）進行聚焦，電子束被聚集在樣品上的微小區域，可產生不同訊號，如二次電子（secondary electron）、背向散射電子（backscattered electron）與陰極螢光（cathode luminescence）等，再由偵測器（detecter）進行訊號之偵測與分析，如圖2所示。由於此儀器主要是以電子為訊號來源，其環境需要相當高的真空度（10-7~10-8 torr)，所以儀器的價格較為昂貴。 圖2：掃描式電子顯微鏡原理示意圖 在樣品製備方面，一般需要充分的進行乾燥，以避免樣品中的水氣破壞儀器內的真空度。此外，為了避免電子束在樣品上累積電荷（charging），會在非導電樣品表面鍍上數奈米的金（Au）或鉑（Pt）等金屬以增加樣品的導電度。一般光學顯微鏡由於受到波長繞射的限制，因此解析度只能到數百奈米。相對而言，掃描式電子顯微鏡之解析度可達數奈米，且景深（depth of focus）較長，是近年來研究奈米材料很廣泛使用的儀器。 n  利用顯微鏡影像進行藝術創作 一、基本創作方式 以掃描式電子顯微鏡所拍攝之影像來說，每個數據點的明亮度主要是偵測器所量測到的電子訊號強度不同而造成，一般所看到的電子顯微鏡影像是以黑白或灰階色作呈現，越強的電子訊號區域其顏色越白亮。在進行影像與藝術創作結合時，可以利用原始的黑白圖片，也可將選擇性區域作顏色對比的後製處理。而創作的其中一種基本概念，就是將科學影像與個人的生活經驗作結合，除了單純使用顯微鏡影像外，也可加入適當文字，或是相關的3D繪圖，使作品內容更加豐富。 二、作為論文期刊封面等使用 利用電子顯微鏡影像與藝術作結合，在科研人員中已經越來越普遍。較常使用的地方是作為所發表論文期刊中的圖像摘要（graphical abstract）與期刊的封面圖像（cover image）。近年來的科學期刊在每一期的封面或封底，會選出該期之研究代表工作作為特別的封面故事（cover story）。因此，研究人員會將研究相關的實驗概念示意圖或是相關數據影像加以編排作為封面內容，也可利用相關3D繪圖軟體繪製符合實驗主題之代表圖，以吸引更多讀者的注意。 舉例而言，我們實驗室曾經進行有關製備具有規則排列奈米柱之高分子微米纖維的工作，相關成果發表於Macromolecular Rapid Communications 期刊2016年第37卷第3期。1 在論文接受後，受到期刊編輯委員的邀請，將研究主要概念繪製為該期期刊之封面，如圖3所示。此工作是先利用電紡絲法（electrospinning）製備微米尺度之高分子纖維。因此，在封面圖中左上方就以白色閃電示意為電紡絲的高電場環境，而製備出之高分子纖維就以藍色纖維表示。之後纖維在高溫退火（thermal annealing）環境下於奈米孔洞模板進行壓印。因此，在封面圖中右方就以紅色煙霧瀰漫代表高溫退火的環境，最後製備出具有規則排列奈米柱之高分子微米纖維。除了以3D圖片表示外，封面圖內也加入相對應的高分子結構之掃描式電子顯微鏡影像。 圖3：結合3D繪圖與顯微鏡影像之期刊封面1 三、相關科學影像之競賽 目前國內外已有舉辦多次以科學影像為主的競賽，鼓勵科學研究人員與學生發揮創意，將科學實驗所得之研究實驗影像進行投稿。舉例來說，臺灣曾舉辦過「臺灣奈米影像競賽」。以2015年為例，其競賽組別分別為(1)掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy, SPM）影像組、(2)掃描式電子顯微鏡（SEM）影像組、(3)穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscope, TEM）影像組、(4)奈米影像新詩創作組、及(5)特別組—奈米創意影音，影像組。鼓勵研究人員將不同儀器所拍攝之實驗數據圖進行投稿，其中較特別的是搭配科學影像所創作的新詩競賽，將科學與文學創作作結合。而在國外來講，著名的電子顯微鏡廠商JEOL Ltd.也舉辦SEM/TEM/EPMA Image […]