科學遊戲-- 奈米碳的奧祕

文與圖/許良榮 |2012.06.27
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夏天是荷花的季節,雨後的荷花更顯得清新。小朋友注意看過荷葉上的雨珠嗎?為什麼雨水落在荷葉上,不是溼答答的一片,而是一顆顆圓滾滾的雨珠呢?奧祕就在於荷葉具有一種奈米結構。今天要做的實驗,就讓小朋友一窺奈米的奇妙現象!

所需器材:紙杯、滴管、蠟燭、金屬湯匙、大杯子。

操作步驟:

1取一紙杯,盛水約一公分高或半杯皆可。將紙杯底部置於蠟燭火焰上燒烤。紙杯已經裝水,底部不會燒起來,但是邊緣凸出部分有可能燒起來,因此要避免燒到紙杯邊緣。

2燒烤時要移動紙杯,使紙杯底部均勻附著黑色的碳微粒,通常約一、二分鐘即可完成,但要注意,紙杯底部必須置於蠟燭火焰之中,不可以高於火焰,如此才容易附著上燃燒不完全的碳微粒(如圖一)。

3將烤好的紙杯放在桌上,杯底朝上。取滴管(或吸管)沾少許水,滴一滴水在杯底,輕輕搖晃紙杯,觀察水滴的移動,可以發現水滴不會吸附在紙杯上,而是形成圓珠狀,並且自由滾動。陸續再滴幾滴水,同樣不會吸附在紙杯上(如圖二) 。

原理:荷葉表面天然的奈米級纖毛結構,具有疏水能力,可使水珠不易附著而容易滾動滑落,連帶也將灰塵一起帶走,科學家將這種現象稱為「荷葉效應」或荷葉的「自我淨潔」功能。本實驗的紙杯在蠟燭火焰上燒烤後,會吸附一層很微小,達到奈米尺度的黑色碳微粒,所以會如同荷葉效應一樣,顯現出疏水性,水滴自然無法附著在紙杯上囉!

利用奈米級碳微粒的疏水性,可以進行另一項有趣的實驗。取一支金屬湯匙,將湯匙背面以蠟燭火焰燻黑(如圖三)。等幾分鐘冷卻之後,插入水中,並由水面上方觀察湯匙。可以發現,黑色的湯匙看起來居然是亮亮的,好像又變回原來的湯匙,黑色的碳微粒層消失不見了(如圖四)!

這是因為湯匙附著了奈米級結構的碳微粒具有疏水性,插入水中之後,水與微粒碳之間有一層很細微的空氣層。當水中四面八方的光線入射到湯匙時,入射角比較小的光線可以折射進入空氣層,再照射到黑色碳被吸收。但是入射角比較大的光線則發生「全反射」(即沒有折射),反射至水面再折射進入空氣,因此在水面上方可以看到光線,看起來就亮亮的囉!



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