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一抹奈米防汙塗料,不用清潔劑,玻璃也能亮晶晶

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/09 ・1426字 ・閱讀時間約 2 分鐘

文/廖英凱

有用過汽車美容用品店的撥水劑,或是幫愛車做過貴鬆鬆的美容鍍膜嗎?經過處理的表面,不僅看起來更亮晶晶,撥水性也更好,雨水滴到汽車表面時,彷彿流動性變得更好而無法留在表面上,這個現象,似乎也在大自然的蓮葉上有類似的效果。蓮葉上的水珠,總是流動的特別快,而且看起來特別的渾圓,科學家們把這個現象稱之為「蓮花效應」或「蓮葉效應」。

這些具有「蓮花效應」的材質表面,往往有疏水性與自潔性的特性。以蓮花來說,蓮葉的表面上滿布一顆顆5~15微米凸起的表皮細胞,而表皮細胞上又覆蓋一層一顆顆直徑約100nm的蠟質結晶。致使水接觸到葉子上時,因表面張力的原因讓水與葉面的接觸角大於150度而形成水珠,而當葉子有任何傾斜時,水珠就會很快地滾動流掉,並把灰塵髒污帶走,達到「出污泥而不染」的自潔效果。

了解這個大自然的奧秘之後,工研院材化所應用化學研究組黃元昌博士的團隊,正利用這個奧秘,開發出能讓物體表面也能有蓮花效應的神奇塗料。要達到這樣的神奇效果,可以分成奈米結構、微米結構、疏油材質、底膠這四個步驟來解釋。

如同蓮葉表面100奈米大小的蠟質結晶,黃博士是利用矽氧烷類的化合物,這種化合物的結構中含有有矽和氧原子所構成的主鏈結構。將這種化合物以溶凝膠(so-gel)的方式處理,將矽氧烷材料水解再縮合,而製造出直徑100nm以下的奈米顆粒。進一步再將這些奈米尺度的顆粒,聚集改質成直徑2-10微米的微米顆粒,如同蓮葉表面突起的表面細胞一般。

防汙塗料在微米(左)和奈米(右)尺度的SEM圖
防汙塗料在微米(左)和奈米(右)尺度的SEM圖
材料改質畫面
材料改質畫面

經過一系列的改質後,二氧化矽所形成的奈米微米結構,已可達到如蓮葉般的疏水與自潔效果。類似的技術也開始被應用在歐洲的一些產業上。然而,這樣的成效卻還不足以應付台灣的環境。這是由於我國空氣中的油性髒污較多,而油性粒子對表面的附著力更好。因此,黃博士的團隊,又再合成製造出長度約1-2nm的含氟的分子,並利用自行開發的技術將這些分子整齊排列在微米奈米顆粒的表面。這些經過特殊設計的含氟分子,擁有更低的表面能,可使油滴在塗佈防汙材料的表面後,可達到150的接觸角。

水在塗佈奈米防汙塗料材質的表面,呈現一個渾圓的水滴狀。
水在塗佈奈米防汙塗料材質的表面,呈現一個渾圓的水滴狀。

最後一步,要再將這些微米奈米顆粒給想辦法附著於玻璃或建材等地表面,而這需要仰賴底膠的選擇與微米結構的搭配。目前黃博士團隊所製造出的二氧化矽顆粒,由於同時具有微米奈米的結構,因而擁有較高的表面粗糙度。且二氧化矽顆粒也跟所選定的底膠能有結合力較強的化學鍵結。因此,能添加較多的底膠,而與塗佈材質表面結合更緊密且不易脫落。針對不同的塗佈材質,也可以選用不同的底膠與二氧化矽顆粒配方,而有應用於玻璃的透明塗料,或是應用於建材或金屬的半透明樹脂配方。覺得要洗大樓玻璃或屋頂屋簷很麻煩嗎?也許可以考慮看看這個神奇塗料,以後就讓老天爺的雨水幫你洗刷刷囉。

工研院材化所 應用化學研究組 黃元昌博士
工研院材化所 應用化學研究組 黃元昌博士

團隊照

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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「數」養生活就從今天開始!談談數學教育的跨領域思維 ft. 數感實驗室賴以威老師【科科聊聊 EP.58】

PanSci_96
・2021/09/24 ・2816字 ・閱讀時間約 5 分鐘

賴以威老師近年來不餘遺力的推廣數學教育,他與數感實驗室的團隊前進校園,設計好玩好學的國小實驗課、以身作則的舉辦教師研習、還配合國中課業需求推出必修課與題本,業務早已超過數感實驗室剛成立時的規模。一路走來雖然秉持一貫的教育理念,但在教育現場實現了多少?改變了什麼?本集泛泛泛科學邀請賴以威老師談談數學教育的探究、實作與跨領域思維!

不餘遺力地推廣數學教育的賴以威老師。圖/賴以威 提供
  • 02:03 數感實驗室的數學教育

數感實驗室」一開始是賴以威老師與太太 Stacy 於 2016 年成立的粉專,主要刊登數學文章,不過後來發現都是大人在看,粉專並沒有適合小朋友的數學教育,夫妻倆便著手開發好用、好學、好玩的數學課程,從知識切入,跨領域整合數學、科學、歷史、人文、藝術等領域。

延伸閱讀:數學風箏│巨大化,正四面體風箏!在家防疫DIY【數學實驗課】國小數學實驗課 秋季視訊班

開發好玩又好學的數學課程。圖/賴以威 提供
  • 05:50 以威老師如何做到跨域整合?

以威老師表示最原始的動力當然是興趣使然,除此之外還跟他在博士班培養出來的能力有關:研究方法、定義問題、找資料、實現概念,這些能力不僅限於研究,更一路演變成他後來從事科普的技能。下關鍵字、判別可信度、延伸搜尋、產生內容…這些都需要經驗累積。「只講科學不講故事很可惜」,他認為科普內容都要帶出科學背後的意義,所有科學事件都是一個故事,可以多面向探討,自然而然的做到跨領域。

  • 11:20 108 課綱期望學生達到的素養是否太強人所難?

以威老師坦承 108 課綱講求的探究活用精神是他到研究所才掌握的能力,這樣要求國高中生似乎其困難。但是以前的教學觀念不一定要蕭規曹隨,小孩能否學會什麼都是可以討論的,「探究活用」是看待知識的態度,的確有可能在國高中階段就學會。

延伸閱讀:數感盃

  • 16:12 我們該以什麼態度看待新課綱?

如果我們把新課綱定義為培養好奇心,為了滿足好奇心,學生必須主動探究知識,而不是被動學習。好奇心就是這個時代學習的重要因素。當課堂不再是知識的唯一管道,老師不一定得擔任教學角色,當老師必須做的事變少了,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。

老師不一定得擔任教學角色,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。圖/賴以威 提供
  • 18:21 實務上有這麼理想嗎?

在數感實驗室舉辦的教師研習中,團隊遇過非常積極的老師、也遇過只習慣過去教法而否定新教法的老師,賴以威覺得這都在所難免,數感只能做更多研習,讓更多老師認同教學理念,並提供材料幫助老師無痛轉換。而家長與孩童方面,偶而也會有人反應都沒算到數學題目,對新教法不甚理解,這些都需要慢慢溝通。參與新課綱的人很多:老師、家長、學生、政府、大學、民間團體…我們都需要勾勒出共同的理想。

  • 23:55 何謂「數感」?

團隊認為數感分成「察覺關聯」與「應用數學分析決策」兩個層次。對不熟悉的人來說還是要輔以大量舉例才有機會了解,對孩童來說得花更多時間領會。所以團隊鼓勵大家來參加數感實驗室的活動,從機器人輸入輸出的參數體會函數概念、蓋紙房子學習錐體柱體與建蔽率、還有這次的四面體風箏與曲線刺繡都是數感的一種!

追蹤:數感活動

孩童正製作的四面體風箏也是數感的一種!圖/賴以威 提供
  • 28:10 人人有數感

Uber 饗食方案划算嗎?集點卡可以省多少錢?股票會賺嗎?人們平日的決策過程都是數感的表現,但是很多人卻把自己會的數學當作常識,自己不會的數學當做數學。其實,只要有算就是數學,意識到更多生活方面都可以應用數學還可以幫助我們過更好的生活。當你不排斥其他領域,就能夠處理更多知識、解決更多問題。

  • 31:57 教學理念與升學表現的平衡

一昧在教學中強調好奇心又太過理想化,尤其國中生有升學壓力必須顧及學業表現。數感團隊也在拿捏,從強調好奇心的數學課向升學的方向靠攏。像是數感的國中課程就有許多建立數學情境的素養題目:講求平均值的區間測速、二十進位的瑪雅數字、正負數計算高鐵票價,這樣同時培養了探究實作的素養也搭配學校課程幫助課業表現。

延伸閱讀:不需要測速照相機就能抓超速?區間測速原理大解析- PanSci 泛科學

  • 38:13 數感實驗室的課程設計

數感實驗室目前堆出的課程有國小與國中兩種,國小數學實驗課以引發好奇心為主,國中必修課與生活情境連結幫助課業提升。

其中九年級非選實戰題考驗著把文字轉換為數學問題的能力,是學生最缺乏也最難教的,甚至很多高中生都還再學習。從這點來看,有老師認為七年級題本也可以給高中生做。當然數感也希望盡快開發出對應完整學程的課程讓所有學生直接使用。

另外題本也可視為科普文章,大人也可以寫喔。y 編回憶起學生時代的題目才發現都沒搞懂,因為以前的教學沒有連續的思維養成,希望現在的題本可以整合以前學習的片段知識。

  • 43:12 更多關於數感的資訊

追蹤數感實驗室官網,獲取精選文章、影片、課程與活動資訊、題本、還有賴以威老師親簽書籍喔!

節目的最後,以威老師也分享疫情期間的線上課程其實比較辛苦,但有些功能如軟體模擬、分組、Jamboard、延伸閱讀等等也是實體課程做不到的。另外線上課程不限地點皆可參加,連家人都可旁聽,這些特性都必須好好把握的。


泛泛泛科學 Podcast 這裡聽:


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