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 hueiying.ho@gmail.com 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 壁虎不僅能在垂直牆壁上運動自如，即使在如玻璃般光滑的天花板上，仍可停留和爬行，早在西元前400年，古希臘哲學家亞里斯多德就對壁虎如此高明的爬行能力感到好奇與不解。這種力量究竟從何而來？壁虎腳底的黏著力究竟是怎樣產生？壁虎腳下的玄機便激起不少科學家的興趣。在西元900年時，Cartier和Braun分別對壁虎腳掌不同尋常的結構進行了研究，但礙於當時科學研究的條件，他們只能大致地推測壁虎可能具有很精細的腳掌結構。壁虎效應與凡德瓦力、奈米概念的關係，雖已被許多學子熟悉，但是在實際教學中，一般學校無法取得專業的儀器來進行測量與觀測，例如：利用掃描顯微鏡（SEM）觀察壁虎的剛毛和匙突。加上其所牽涉到的凡德瓦力，也很難用一般非專業儀器量測，所以壁虎效應教學模組多為文字的敘述或顯微攝影的影片（北區K-12奈米科技發展中心網站，2016），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？ 對壁虎攀岩走壁能力之敘述，最早可朔源自公元前四世紀，亞里斯多德（Aristotle, B. C. 384-322）在《動物自然科學史》(Historia Animalium)中提到對壁虎的見解：『壁虎即使是以頭部在下的姿態，也能夠繞著一棵樹到處地跑來跑去』，也就是說所謂的「壁虎效應」即是指壁虎能在各種材質的垂直表面爬行，甚至是倒掛在天花板自由行走的現象（圖1）。 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？ 雖然壁虎的行走模式很早之前就廣為人知，但對於壁虎之所以能攀岩走壁（壁虎的黏附能力）的說法，眾說紛紜，每個可能物理機制的假設，都一一被實驗所得到的證據反駁，如表1所示。 表1：「壁虎效應」之物理機制假設與該假設被反駁的證據一覽表。（整理自Autumn & Peattie,2002） Hiller（1968, 1969,1975）證明壁虎的吸附力和毛細現象有關，也就是說和水珠與表面的接觸角有異曲同工之妙（有關接觸角之相關原理請參閱本期文章「『蓮葉效應』國中奈米課程與教具設計」），這提供了分子間的交互作用力是壁虎吸附力的來源的直接證據，也就是說壁虎的足底接觸表面時，會改變接觸面的表面能（surface energy），例如青蛙也是，但不同的是壁虎的足部並無腺體可分泌異體，不過這仍無法排除毛細現象，因為一個原子層的水分子仍可提供相當大的表面張力（表面能越大，表面張力越大）。然而Hiller本身卻不是很喜歡壁虎的黏附能力是來自於毛細現象這種說法，因為在極疏水的表面，吸附力也不會降至零，很難區分出到底是什麼的影響（本段文字整理自Autumn & Peattie,2002）。 另一種用分子間的作用力解釋壁虎黏附能力機制的說法為凡得瓦力（van der Waals interaction），這是分子間作用力最微弱的一種，這種交互作用力與據力有關，並且當兩個互相接觸的表面彼此間之電極化率（polarizability）越高時，凡得瓦力越大。Hiller（1968）就發現壁虎無法吸附在聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene,PTFE）表面，由於PTFE 是一種電極化率非常低的表面，因此「壁虎無法吸附在PTFE表面」這個證據支持了「壁虎黏附能力機制為凡得瓦力」的假設 （本段文字整理自Autumn & Peattie,2002）。 1965年，加州大學的Ruibal 與 Ernst（1965）藉由掃描式電子顯微鏡（scanning electron microcopy, SEM）的幫助，發現壁虎每一根剛毛（setae）的末端還具有如樹枝狀的分支（branch），分叉形成數量介於100~1000根為數不等的匙突（spatulae），直徑在0.1~0.2 μm，匙突底部的肉柄（stalk）與剛毛連接，另一端則與外型狀似扁平三角形，寬度約200 nm、厚度約0.01 μm的末端結構相連。2000年，美國克拉克學院生物學系的奧特姆教授（Kellar Autumn）與其研究同僚，量測壁虎的一根剛毛所產生的吸附力，並與利用凡得瓦理論計算的值做比較（Autumn et al., […]