本期專題「奈米課程」文章簡介 何慧瑩 國立臺北教育大學自然科學教育學系 hueiying.ho@gmail.com n  前言 自古至今，每一次的社會生活方式有大幅度的變化，都伴隨著科學技術發展的躍進。第一次工業革命（約1760~1840年），在英國人瓦特（1769年）改良蒸汽機後，人類就從手工製作轉而成機器製造，進入輕工業時代；第二次工業革命（約1870~1914年），以法拉第於1831年發表的電磁感應現象為電力機械的基礎，人們開始使用電力來替代人力，當時的工業則從輕工業轉變為重工業；第三次工業革命（約1920~迄今）緣起於量子科學的蓬勃發展與軍事需求（第二次世界大戰，1939~1945年），當1945年世界第一台電腦被製造出來之後，即宣告了數位時代的來臨，所以第三次工業革命又被稱為數位化革命。 隨著第三次工業革命而來的是包含奈米科技、人工智慧、物聯網、基因工程、量子技術…等各種新興科技的突破性發展，這些理論與技術上的突破、各種科技之間的融合，將人類的文明逐步推進到「第四次工業革命」，也因為各領域科學發展之融合，領域之間的界線不似過往那麼涇渭分明，奈米科技可以說是這種跨領域科學發展的代表。說到奈米科技，最有名的就是1959年12月費曼教授（Richard Feynman）在美國物理學年會上的演講，當時他以〈There’s Plenty of Room at the Bottom〉「底層之下還有更廣闊的空間」為題演講，意思就是在原子尺寸或小於原子尺寸的尺度範圍，有著更多的科學等著我們去探討與應用。 n  臺灣K-12奈米人才培育與課程發展簡歷 2000年12月行政院科技顧問會議與2001年1月全國科技會議，定調奈米科技為臺灣未來產業發展的重點領域。2003年起，臺灣推動為期十二年的奈米國家科技型計畫（第一期：2003至2009；第二期2009至2015），共包含了學術卓越研究計畫、產業化計畫、核心設施研究計畫，及人才培育計畫等四個子計畫，其中「人才培育計畫」即為科技向下紮根的構想，在此計畫項下成立了北區、中北區、中區、南區、以及東區等臺灣五個區域的「奈米科技K-12人才培育中心」，推動包含K-12 （包含技職學校）、大專、以及研究所的縱向人才培育。在這時期，各種K-12的奈米教學設計如雨後春筍般地被發展出來，常見的教學設計包含了光子晶體（photonic crystal）、蓮葉效應（lotus effect）、壁虎效應（gecko effect）、以及自組裝（self-assembly）等內容。 n  本期專題文章簡介 繼2015年第二期奈米國家科技型計畫結束之後，臺灣在奈米科技則是朝應用層面推動，科技部從2015年開始徵求「奈米科技創新應用計畫」構想書，主要包含「前瞻奈米」和「創新應用」二類計畫，以因應未來臺灣社會文章環境的演變及產業發展的轉型等種種挑戰。因此，本期的「奈米課程」專欄包含了三個面向共八篇文章，分別為專業科學文章三篇、奈米科技教學研究文章一篇、以及奈米課程設計文章四篇。 首先登場的專業研究文章是國立中興大學物理學系陳惠玉特聘教授所撰寫之物理專文「神秘且有趣的軟性光子晶體：藍相液晶」，本文從自然界中水的不同的相態出發，引導讀者對於物質中的分子（或原子）排列具高度規則性時的現象產生好奇心，進而介紹如何改變液晶的分子排列，透過窺探大小與週期落在數百奈米以內之藍相液晶複雜且美麗的相態，有助於了解物質的拓樸學、生物物理，軟物質及醫藥發展等眾多領域。第二篇是由國立臺北教育大學自然系李昆展教授與其碩士畢業生羅珮瑛共同撰寫之化學專文「奈米碳材料的官能化及應用性」，本文以高中課程中最常見的碳元素為題，介紹具有高比表面積的奈米碳材料（奈米碳管、氧化石墨烯和石墨烯量子點）之物理及化學特性，這些材料被應用於有效的藥物結合或是藥物載體，科學家對這些材料進行相關的表面官能化的修飾，以增強其生物相容性，除了可以降低其生物毒性，亦能提升其生物醫學相關應用性。第三篇是由國立臺北教育大學自然系盧秀琴教授主筆的生物專文「治療燒燙傷的魚皮敷料」，本文從奈米化學尺度結合生物奈米概念去說明魚皮敷料的科學原理，讓大家了解吳郭魚皮如何從一個沒有經濟價值而被丟棄的角色，轉變成治療燒燙傷的新興醫療產業原料—魚皮敷料，此經驗對K-12的學生有很大的啟發性，鼓勵這些學生將來創造出更多的奇蹟，造福人群。 奈米科技教學研究文章是由陳月雲博士與盧秀琴教授共同撰寫的「從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學」，此研究以實徵教學方式來瞭解學生學習蓮葉效應可能產生的另有概念，再配合POE教學策略進行概念改變教學。研究結果顯示採用POE策略結合奈米碳黑實驗教學，能提升國小學生對蓮葉效應的理解，更有助於另有概念改變，提升學習成效。 最後四篇是由本人所撰寫的奈米課程設計，我先以「融入式奈米課程之設計方式」讓讀者了解我們是如何設計融入現有K-12科學教材的奈米課程，接著再以三篇課程設計為例來介紹奈米課程設計，作為讀者發展108課綱探究與實作教學之參考。第一篇「壁虎效應—高中奈米課程之教具設計」是我以所指導之畢業學生張惠雯和湯雅慧的碩士論文為基礎撰寫而成，此文章從文獻探討介紹各科學家對壁虎效應成因之推理論證過程，進而設計具有實驗與數據分析之高中「壁虎效應」教具；另外兩篇「蓮葉效應—國中奈米課程與教具設計」與「光子晶體—高中奈米課程設計」，是我從《奈米科技K-12系列叢書—光子晶體》與《奈米K-12科技叢書—蓮葉效應》兩套著作中（何慧瑩、盧秀琴，2014a, b, c, d；2016a, b, c, d），擇其中兩篇重新撰寫成，這兩套叢書是本人於臺灣推動「奈米科技K-12人才培育中心」時期，參與了由臺灣大學宋家驥教授所主持的北區奈米科技K-12人才培育中心的計畫，在此計畫項下與盧秀琴教授所共同發展的奈米課程叢書（盧秀琴、何慧瑩，2014a, b, c, d；2016a, b, c, d）。「蓮葉效應—國中奈米課程與教具設計」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，規劃出蓮葉效應奈米課程。「光子晶體—高中奈米課程設計」一文將介紹奈米科技教學中常見的「光子晶體」，包含其基礎原理，並從基礎原理出發，發展出適合於高中使用的課程。 n  參考資料 何慧瑩、盧秀琴（2014a）。K-2「紫斑蝶和奈米阿寶」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：978-986-04-1575-9) 何慧瑩、盧秀琴（2014b）。K-2「紫斑蝶和奈米阿寶」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-1576-6) 何慧瑩、盧秀琴（2014c）。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（2014d）。高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-1581-0) 何慧瑩、盧秀琴（2016a）。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) 何慧瑩、盧秀琴（2016b）。高中「從蓮葉效應到自組裝」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-5287-7) 何慧瑩、盧秀琴（2016c）。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) 何慧瑩、盧秀琴（2016d）。國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-5285-3) 盧秀琴、何慧瑩（2014a）。國小「彩蝶效應與光柵實驗」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：978-986-04-1577-3) 盧秀琴、何慧瑩（2014b）。國小「彩蝶效應與光柵實驗」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-1578-0) 盧秀琴、何慧瑩（2014c）。國中「彩蝶效應探索活動」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：978-986-04-1580-3) 盧秀琴、何慧瑩（2014d）。國中「彩蝶效應探索活動」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-1579-7) […]

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」（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) 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，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（圖3）。以圖3a的立體示意圖為例，表面能密度，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) 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/水()、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） 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()和固體/氣體()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） 「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（圖6），我們依據此專家概念圖設計了五節課的教學內容。 圖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。 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） […]

奈米課程：「光子晶體」高中奈米課程設計 何慧瑩 國立臺北教育大學自然科學教育學系 hueiying.ho@gmail.com n  簡介 週期性介電質結構就是所謂的「光子晶體」。週期性介電質結構之所以稱為「光子晶體」，是類比於金屬晶體結構對電子物質波的影響。金屬原子會形成晶格（如FCC、BCC、…），這些晶格會不斷地重覆排列成晶體。如果將介電質做週期性的排列，會對電磁波會產生影響，因此稱為光子晶體。早期的製程結構較大，所以工作頻率主要落在微波頻段（約0.3 GHz至300 GHz，波長範圍約在1 mm 到1 m之間），近年來由於奈米製程的進步，可製作出奈米級的週期性結構，使得工作頻率從微波頻段進入可見光頻段（約400 THz至800 THz，波長範圍約在400 nm 到700 nm之間）。光子晶體有一維結構、二維結構、以及三維結構（圖1），一維的光子晶體屬多層膜結構，多層膜的物理機制在大學階段的光學書籍中已有詳細的推導，並且早已廣泛運用在生活中；二維光子晶體則和三維光子晶體分別為平面的陣列和立體陣列。光子晶體具有頻率的禁制帶（forbidden band），當電磁波的頻率落在禁制帶時，無法穿透光子晶體，會被完全反射，利用此特性，人類可以設計各種不同的結構來操控電磁波，例如光子晶體光纖（圖2）、隱形斗篷（https://www.hyperstealth.net/）、以及光子通道（圖3）。 圖1：光子晶體（圖片來源： Վահագն Մխիթարյան, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32662980） 圖2：光子晶體光纖示意圖（圖片來源 Разумовский Алексей СергеевичНаний Олег Евгеньевич, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17671575） 圖3：週期性結構造成光線發生全反射無法穿入結構中，因此只能在設計好的光子通道中傳遞 （圖片來源：作者繪製）  雖然光子晶體主要是指人工製成的結構，但自然界裡早已存在許多天然的光子晶體結構，例如：珠光鳳蝶（圖4）、孔雀的羽毛（圖5）、蛋白石（圖6）、…等，隨著觀看視角不同，顏色會改變（圖7）。 圖4：珠光鳳蝶（蘭嶼亞種雄蝶）（圖片來源 Peellden – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=36451320）  圖5：孔雀（圖片來源 Hendra Suroboyo, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=79367851）  圖6：蛋白石（opal），一種寶石 (圖片來源 James St. John – flickr, […]