Transcript 蓮葉效應之應用
博物館奈米科技系列課程 「奈米科學」動手作 展演者：鄭瑞洲 單位：國立科學工藝博物館 中華民國九十七年十月二日 南區奈米科技K-12教育發展中心 內容大綱 南區奈米科技K-12教育發展中心 蓮花出淤泥而不染 宋朝周敦頤在《愛蓮 說》中寫道：「水陸 草木之花，可愛者甚 蕃。…。予獨愛蓮之 出淤泥而不染，濯清 漣而不妖，中通外直， 不蔓不枝。」 蓮花為何出淤泥而不染？ 南區奈米科技K-12教育發展中心 蓮葉效應 Lotus Effect的發現 顯微鏡下的蓮葉（東南技術學院） 不同倍數顯微鏡下的蓮葉（東南技術學院） 1997年，德國波昂大學的植物學家Wilhelm Barthlott針對 〝蓮花出淤泥而不染〞這個特殊現象進行了一系列的實驗，他利 用顯微鏡觀察蓮葉, 發現蓮葉的奈米結構。 南區奈米科技K-12教育發展中心 蓮葉的表面～奈米級含蠟絨毛 5~15微米細微突起的表皮細胞 （東南技術學院） 左圖紅圈的放大：表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約1 奈米的蠟質結晶（東南技術學院） 蓮葉的表面具有大小約5~15微米(5000~15000 奈米）細微突起的表皮細胞，表皮細胞上又覆蓋 著一層直徑約1奈米的蠟質絨毛。 南區奈米科技K-12教育發展中心 蓮葉效應 ~蓮葉的疏水與自潔作用 蓮葉表面 “奈米級” 的蠟質結晶具有疏水性，所以當水 與蓮葉接觸時，會因表面張力而形成水珠，水珠由蠟質結 晶頂住，與葉面的接觸點很小，很不穩定，水珠容易滾動， 同時也降低污染顆粒對葉面的附著力。 水與葉面的接觸角(contact angle)會大於140度，只要葉面稍 微傾斜，水珠就會滾離葉面。水珠滾動時會順便把一些灰 塵污泥的顆粒一起帶走，達到自我潔淨的效果，這就是蓮 花總是能一塵不染的原因。 將膠水、果糖及水滴在蓮葉， 接觸角 南區奈米科技K-12教育發展中心 會發生什麼狀況？ 蓮葉效應 Lotus Effect 一般光滑表面 奈米結構細微表面 右圖是蓮葉上的水珠，水珠滾下來時把灰 塵也一併帶走了。 南區奈米科技K-12教育發展中心 蓮葉效應～蓮葉上的水滴 左圖：蓮葉上的水珠 右圖：沾附泥土的水珠 水滴去蓮葉污泥 南區奈米科技K-12教育發展中心 蓮葉效應～蓮葉上的果糖 上圖：蓮葉上的果糖 下圖：沾附泥土的果糖 南區奈米科技K-12教育發展中心 果糖去蓮葉污泥 蓮葉效應～蓮葉上的膠水 左圖：膠水滴在蓮葉上形成珠狀 。 右圖：蓮葉上面沾滿泥土的膠水。 南區奈米科技K-12教育發展中心 膠水去蓮葉污泥 蓮葉效應的應用 奈米紙 奈米布、奈米衣、奈米領帶 奈米漆、奈米磁磚 奈米瓦斯爐、奈米抽油煙機 奈米玻璃 奈米汽車、機車 南區奈米科技K-12教育發展中心 蓮葉效應之應用？？ 奈米布、奈米紙、奈米防水砂、奈米防火板 南區奈米科技K-12教育發展中心 ~~奈米布 DIY~~ 實驗器材： 氟素撥水劑 棉布 電熨斗 滴管 細砂 塑膠水杯 南區奈米科技K-12教育發展中心 ~~奈米布DIY ~~ 將棉布浸泡在氟素撥水劑中 2~3分鐘 南區奈米科技K-12教育發展中心 撈起擰乾 ~~奈米布DIY ~~ 再用熨斗熨乾、熨平 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米布的疏水性質、自潔功能 奈米布依然乾乾淨淨 南區奈米科技K-12教育發展中心 觀察比較一般棉布、奈米布 看仔細ㄛ！ 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米防水砂 DIY 「蓮葉效應」之推廣應用 實驗器材： 奈米二氧化矽 滴管 細砂 篩網 塑膠水杯 方形盒 南區奈米科技K-12教育發展中心 ~~奈米二氧化矽水溶液~~ 調配比例：奈米二氧化矽一份，水三份。 南區奈米科技K-12教育發展中心 ~~奈米二氧化矽水溶液~~ 調配時請將奈米二氧化矽慢慢倒入裝水的燒杯中。 南區奈米科技K-12教育發展中心 ~~奈米防水砂 DIY~~ 砂中倒入 奈米二氧化矽 和一和 南區奈米科技K-12教育發展中心 再曬乾 比較一般細砂、奈米防水砂 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米防水防火板(矽酸鈣板) ~~ 蓮葉效應之應用 塗奈米二氧化矽 防火板不會防水 南區奈米科技K-12教育發展中心 防火又防水 奈米防水紙 水 是 一 般 紙 的 剋 星 南區奈米科技K-12教育發展中心 ~~ 蓮葉效應之應用 奈 米 紙 可 防 水 ~~ 蓮葉效應之應用 ~~ 水會滲入石頭 浸奈米二氧化矽 晾乾後可防水 南區奈米科技K-12教育發展中心 ~~ 蓮葉效應之應用 ~~ 晾乾後可防水 浸奈米二氧化矽 水會滲入磚塊 南區奈米科技K-12教育發展中心 果真是蓮葉效應嗎 生物體的磁導航 蜜蜂肚裡有奈米級羅盤 螞蟻、蜜蜂、鴿子、鮭魚、海龜等生物體內都有奈米 級的磁性粒子，科學家認為這些生物就是靠這些磁性 粒子，在地磁導航下辨識方向。 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米磁顆粒的應用 將奈米磁顆粒做為藥物 載體，與特定用途的藥 物結合，注入生物體內， 在體外施加磁場導引其 體內移動，使藥物控制 集中於病變部位，進行 藥物釋放或治療的目的。 南區奈米科技K-12教育發展中心 由於腫瘤細胞或疾病的病毒有特定的抗原，我 們可將奈米磁顆粒結合某抗原的抗體，注入生 物體內，利用磁場進行血液中磁顆粒的收集及 再分析，有助於腫瘤或疾病的診斷。 南區奈米科技K-12教育發展中心 將奈米磁顆粒注入腫瘤部位，以磁場控制在腫瘤 範圍，通電加熱到大約攝氏47度，慢慢殺死癌細 胞，而周圍的正常細胞毫不受影響，可將副作用 降低到最小程度。 其他尚有許多功能，如：核磁共 振顯影、 基因轉植等，原理較為 深入，在此不多介紹，歡迎各位 多參考相關書籍。 南區奈米科技K-12教育發展中心 １.新新接龍 ２.變色遊戲 ＋ 溶液B 溶液A 猜猜兩瓶溶液分別是什麼？ 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米磁顆粒 南區奈米科技K-12教育發展中心 在前面的活動１中我們可以知道：像小鐵釘這樣的磁 性物質在被磁感應後，其磁性雖然不能長期保存，但 仍會殘留一段時間，這種現象稱為“殘磁”，這是 “鐵磁性”物質所具有的特性。 而當磁顆粒到達奈米級時，由前面的活動２可以知道： 奈米磁顆粒可以被磁鐵感應吸引，但搖晃分開後，磁 顆粒之間不易再聚集，可以輔助說明此奈米磁顆粒的 “殘磁”現象不明顯，這是 “超順磁性”物質所具 有的特性。 註：對於奈米磁顆粒超順磁性較嚴謹的證實必須做磁 滯迴路，但已超出國中範圍，故以此活動現象輔助。 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米磁顆粒藥品配製 1. 2. 3. 4. 5. 6. 在2M的鹽酸溶液中製備2M的氯化亞鐵溶液。 在2M的鹽酸溶液中製備1M的氯化鐵溶液。 將氯化亞鐵溶液與氯化鐵溶液以1：4的比例均勻混合 （稱為溶液A）。 製備1M的氨水溶液（稱為溶液B）。 將溶液A慢慢滴入溶液B中並迅速攪拌，剛開始呈現咖啡 色的懸浮物，後來慢慢呈現黑色，即生成了四氧化三鐵 （Fe3O4）的磁性奈米顆粒。 將釹鐵硼強力磁鐵置於容器底部，可見奈米磁顆粒被吸 引，倒出澄清液後以清水洗淨，重覆此步驟可收集到乾 淨的磁性奈米顆粒。 南區奈米科技K-12教育發展中心 性質大不同 小尺寸效應～ 顏色、熔點、化性 應用、實作 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米金粒子 ~ 顏色 金屬在奈米顆粒狀態時，對於光及微波的吸收度顯 著增加而有不同的反射率及吸收率，因此呈現不同的顏色 。 尺寸和形狀會影響顏色，例如黃金在 50奈米是綠色， 40奈米是藍色，15奈米是紅色，3奈米是棕色。 奈米金5奈米～150奈米（不同濃度） 南區奈米科技K-12教育發展中心 圖片來源：王崇人（2002）。神奇的奈米科學。 Lycurgus cup 一支收藏於大英博物館的 第四世紀羅馬酒杯 ( Lycurgus cup )，具有 一種特殊之性質，在白天 當光線照射下，酒杯的顏 色呈現綠色，到了晚上當 周遭無亮光時，以白色燈 光由酒杯內向外透射， 則呈現洋紅色。 南區奈米科技K-12教育發展中心 羅馬酒杯變色的原因 大英博物館與 University of Essex 的 Barber 教授合作，經過仔細地化學分析，發現這種酒杯 的成分中，含有少量的金（40 ppm）與銀 （300 ppm）。再以高倍率的穿透式電子顯微 鏡觀察，可發現到玻璃中存有金屬奈米粒子，粒 徑約為70奈米。進一步以X射線分析這些金屬奈 米粒子，發現是金和銀的混合物，金、銀比例約 為3：7。所以這隻羅馬酒杯之所以能反射綠光， 主要是因為玻璃中的金屬奈米粒子對綠光有很強 的散射所造成的結果。 南區奈米科技K-12教育發展中心 摘錄自 「奈米，不是啥稀米」 一書 中世紀歐洲大教堂的彩繪玻璃 ( stained glass ) 930205溫明正校長拍攝於巴黎聖母院 古瓏驊歐日美圖書進口商 http://www.ewgbooks.com.tw 南區奈米科技K-12教育發展中心 皆因含有奈米金粒子而炫麗！ 奈米金粒子 ~ 活性增大，易參 與反應 28/64 = 43.75 % 12/16 = 75 % 相同質量的材料，隨著顆粒的變小，比表面積（=表面原子數/總原子數） 會顯著增大。如上圖，當粒子縮小到原來的1/4，比表面積會從43.75% 增到75%。1公克的超微顆粒總表面積可能高達100平方公尺，表面原子 因為配位數不同，比內部原子有較大的活性。 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米金粒子 ~ 化性改變 金屬奈米顆粒表面上的原子十分活潑。 可用奈米顆粒的粉體作成固體火箭的燃料。 黃金是活性很小的金屬，但小於 5nm變為高活性 可作為觸媒。 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米「金」觸媒 奈米金觸媒運用在防毒口罩上，可以瞬間將燃燒中的一氧化碳，立即 轉換為二氧化碳，更神奇的是，它的作用可以持續200個小時之久。 奈米金觸媒更具有獨特功能，可以瞬間分解空氣中臭氧。由於近年來 空氣中臭氧污染愈來愈嚴重，臭氧濃度已列為空氣污染的重要指標， 3PPM以下的臭氧，即對呼吸疾病患者造成危害。 透過奈米技術，可以將高度惰性的金塊，轉化成高度催化活性的觸媒 材料，但是，成本僅為傳統材料的五分之一，具有極高的競爭優勢。 南區奈米科技K-12教育發展中心 抗煞有功?各種不同的口罩 N95口罩 外科口罩 (非奈米產品) 活性炭口罩 (非奈米產品) 光觸媒口罩 (非奈米產品) 南區奈米科技K-12教育發展中心 金觸媒口罩 奈米金粒子 ~ 應用 預期黃金可應用在奈米電子元件、觸媒、顏料與塗料、以及 生醫材料等，其用途敘述如下: 1.低阻抗可印刷的黃金奈米顆粒墨水(應用在可撓式電子元件); 2.黃金奈米導線(應用於未來電子元件問的內部連接) ; 3.化妝保養品 4.Gold-silica奈米殼狀物(應用在癌症細胞破壞標靶); 5. 奈米黃金顆粒膠狀體(應用在醫學快速試劑與檢測化驗) ; 6.新穎的裝飾性塗料; 7.熱固性黃金奈米顆粒塗料; 8.黃金奈米顆粒觸媒(應用在污染防制與化學合成); 9.燃料電池的陽極材料。 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米金粒子 ~應用於化妝品 記者洪凰鈞／台北報導 愛調侃他人「少往臉上貼金」的朋友，以後恐怕得改 口了。看好奈米金粒子可透過與肌膚接觸，產生活化 肌膚的效果，國內半導體業者遂研發推出「奈米金面 膜」新鮮貨。研發該產品的中華聯合半導體協理張嘉 原表示，黃金經過奈米化以後，金粒子就會被很多氧 氣包圍，而「奈米金面膜」即是利用這個原理，將奈 米金粒子鍍膜在不織布上製作成面膜，使用者敷在臉 上後，奈米金粒子就會把氧帶到皮下組織，產生活化 肌膚的效果。 張嘉原進一步指出，該產品與市面上各種傳統面膜最 大的不同，在於其完全不必添加精華液或膠原蛋白； 消費者買回家以後，噴一噴保濕水即可使用，盡情享 受往臉上貼金的保養樂趣。 http://www.cdns.com.tw/20051003/news/cjcy/7335200020051002 17492206.htm 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米金粒子 ~醫療應用 加熱奈米金殼可殺死腫瘤 細胞 美國科學家奈米殼(nanoshell) 的是由二氧化矽內核外覆一層 金殼所組成，將奈米殼注射到 動物體內，由血液循環選擇性 地附著累積在腫瘤組織上，再 藉由雷射光照射加熱鍍金粒子 所聚集的腫瘤部位，因此不會 影響腫瘤附近的正常組織。 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米金粒子 ~醫療應用 高靈敏度生物條碼核酸檢測 附圖是利用金膠體溶液 法 來檢驗DNA或蛋白質的 示意圖，上頭接有短鏈 DNA的金質奈米粒子，可以 測定樣本中是否有某基因 序列（黑色）的存在。 若溶液中有標的基因序列 存在，將造成溶液變色 （從紅變藍）。 圖片來源：http://www.sciam.com.tw/read/readshow.asp?FDocNo=121&DocNo=193 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米金粒子 ~醫療應用 懷孕的女性身體，會釋放出一種特殊的荷爾 蒙 hCG（ human Chorionic Gonadotropin，人絨毛膜促性腺激素）。 若把懷孕女性的尿液取樣滴在試劑裡，尿液 裡的這種荷爾蒙會和試劑裡的金奈米粒子結 合，再固定於基板上，而呈現出紅寶石的顏 色。目前還有科學家試圖應用金的奈米顆粒 於愛滋病毒篩檢。 南區奈米科技K-12教育發展中心 奈米金粒子 ~ 實作 A液： 10-3M四氯金酸溶液、 0.05MCTAB（一種分散劑， 分子式：C19H42BrN）、10% 乙醇水溶液 B液： 10-3M四氯金酸溶液、 10%乙醇水溶液 分別取A液與B液各5mL，分 別滴入1M氫氧化鈉5滴，搖 B液：不含分 晃後觀察變化。 散劑的四氯 金酸溶液 南區奈米科技K-12教育發展中心 Ａ液：含分散 劑的四氯金 酸溶液 加1M的氫 氧化鈉 加0.1M的 氫氧化鈉 靜置 紅色奈 米金溶 液 紫色奈 米金溶 液 未加分散 劑的奈米 金溶液 南區奈米科技K-12教育發展中心 略沉澱 南區奈米科技K-12教育發展中心