國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

奈米碳的奧秘

由實驗一窺奈米碳的奇妙現象!

※器材:紙杯、滴管、蠟燭、金屬湯匙、大杯子
※操作過程

1.取一紙杯,盛水約一公分高或半杯皆可。

2.將紙杯底部置於蠟燭火焰上燒烤,由於紙杯已經裝水,底部不會燒起來。但是邊緣凸出部分有可能燒起來,因此避免燒烤到紙杯邊緣。

3.燒烤時需要移動紙杯,使紙杯底部均勻附著黑色的碳微粒。通常大約需要一、二分鐘即可完成,但是請注意: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)

4.將燒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,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,滾來滾去。(如圖二)

按這裡觀看實驗影片(7.2M)

※原理

  自然界中的蓮花葉子,具有所謂的「蓮葉效應」(Lotus effect),亦即由於蓮葉表面有奈米級的纖毛結構,而使水滴不會附著在葉子上的疏水性質(Hydrophobicity)。也因此蓮葉具有「自我淨潔」(self-cleaning)的功能,因為水滴不容易吸附在葉子表面,容易滾動滑落,會將灰塵一起帶著離開葉面。

  本實驗的紙杯在蠟燭火焰上,會吸附一層很微小,達到奈米尺度的黑色碳微粒,於是如同蓮葉效應顯現出疏水性,水滴無法附著在紙杯上。

※延伸的科學遊戲

  利用奈米級碳微粒的疏水性,可以進行另一項有趣的實驗。

  取一金屬湯匙,將湯匙背面以蠟燭火焰燻黑(如同上一實驗燒烤紙杯),如圖三。

  將湯匙背面均勻附著碳微粒,等幾分鐘冷卻之後,插入水中,並由水面上方觀察湯匙。結果可以發現黑色的湯匙,變成看起來亮亮的,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)

 

按這裡觀看實驗影片(13.2M)

  此現象的原因是發生了「全反射」,與科學遊戲「數字魔法秀」是相同的原理。

  湯匙附著了奈米級結構的碳微粒具有疏水性,因此插入水中之後,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(下圖藍色箭頭)可以折射進入空氣層,再照射到黑色碳被吸收(黑色物體不反射光線)。但是入射角比較大的光線(紅色箭頭)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。(註:水發生全反射的臨界角度是49度)

參考資料:

1.普通高級中學課程物理學科中心演示教學網站:http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/physical/physdemo/select/s3-5/s3-5.htm

2.國立台灣師大黃福坤教授網頁:http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/optics/path.html