Trivia 冷知識

奈米科技在近年來成為科技業的寵兒，無論是怎樣的科技產物只要掛上奈米兩個字似乎就成為了工業界的熱門商品。但真正的奈米又是指什麼呢？基本上，在長度單位下，國際所通用的公共單位是公尺(meter)，簡稱為米(m)，而奈米便是指，其比例是10^-9 m的長度，標記為奈米(nm)，而在這樣極短的長度下，許多化學物質會呈現出與巨觀下完全不同的化學性質，因此稱為奈米科技。一般所用的奈米材料是指有單一個方向的長度是100 nm以下的特殊化學物質，奈米金就是其中一種。

而奈米金在生活中究竟有哪些用途呢？由於當物質在長度變得極度微小的時候，在光線通過時與日常生活巨觀下所吸收的光線波長並不相同，也因此容易產生落入可見光區(紅橙黃綠藍靛紫色光)的互補色，使我們得以看見不同的色彩。就如同我們在日常生活中所看見的黃金是閃亮耀眼的金黃色，但在奈米等級的大小時，黃金顆粒的色彩可以是紫色深紅色甚至是黑色。根據這種色彩的特性，人們在很早以前，便懂得拿奈米金當作紅寶石色玻璃或陶瓷的原料，最有名的例子便是西元前 4 ~ 5 世紀的羅馬酒杯。正常的狀況下我們看到的酒杯是綠色，但如果光是從酒杯內照出酒杯外時，穿透光卻是紅寶石色。

而也因為尺寸大小直接的影響了奈米金粒子的色彩改變，因此科學家便想盡一切辦法，讓奈米金在醫學上可以派得上用場。透過奈米金在人體內不同的器官與組織可能會因為環境的改變而凝聚或是分散產生不同的顆粒大小，並且產生色彩的變化，就能夠針對人體的健康狀況做出檢驗。目前有一部分的驗孕劑就使用奈米金來製作，利用的就是孕婦體內有特殊荷爾蒙HCG使得奈米金粒子顆粒改變呈現紅色的特殊原理。

每年過年與元旦的時候，都能看見許許多多美麗的煙火．但我們可曾想過，這些美麗的煙火背後所應用的是怎樣深刻的化學原理呢？

煙花的 化學原理 和爆竹大同小異，其結構都包含黑火藥和 藥引 。燃放煙花後，產生化學反應引發爆炸，而爆炸過程中所釋放出來的能量，絕大部分轉化成光能呈現在我們眼中。製作煙花的過程中加入一些 發光劑 和 發色劑 能夠使煙花放出五彩繽紛的顏色。

發光原理為金屬鎂或金屬鋁的粉末 氧化 。當這些金屬燃燒時，會發出的強光及熱能。發色劑是一些金屬 化合物 。金屬化合物含有金屬離子。當這些金屬離子被燃燒時，會發放出獨特的火焰顏色。不同種類的金屬化合物在燃燒時，會發放出不同顏色的光芒。如：氯化鈉和硫酸鈉都屬於鈉的化合物，他們在燃燒時便會發出金黃色火焰。同理，硝酸鈣和 碳酸鈣 在燃燒時會發出 磚紅色 火焰。煙花便是利用金屬的這種特性製成的。製作煙火的人經過巧妙的排列，決定燃燒的先後次序。這樣，煙火引燃後，便能在漆黑的天空中綻放出鮮豔奪目、五彩繽紛的圖案。

以上是一些常見的金屬離子，可以看出各種不同離子在燃燒時產生的焰色相當多變，也因此能夠組合成各種美麗的煙火。

每當我們注目著美麗的煙火時，也別忘了科學家們辛勤研發美麗煙火的辛勞！

一條頭髮、一滴血跡、以至一些衣服纖維，都是警方破案的重要線索。這些證物如何協助執法人員揭開事實的真相 ？ 科學鑑證就是利用這些「 證物」來 研究一件罪案發生的原因及過程。這些證物經過鑑證人員研究後，使它們能作為法庭上的罪證，所以「鑑證」在字彙裏有「被適用於法庭上」的解釋。鑑證科人員把由罪案現埸收集得來的證物進行處理和分析。他們通過觀察、分類、對比、並利用先進的科學方法來量度，估計、解析數據，最後推斷出合理的結論呈上法庭。 香港政府化驗所轄下的法證事務部早於 1996 年已獲得「美國罪證化驗所所長協會」的「化驗所認證委員會」授予認證資格，現已成為亞太地區中最具規模的法證科學化驗所。

鑑證人員是怎樣用科學的方法分析「指紋，血印及不明物質」使之成為法庭上的罪證。

指紋是罪案現場中最普遍的證據。由於每個人的指紋都是獨特的，所以它能成為一個非常重要的線索來確認疑犯。每當一個人用指頭接觸物件時，指頭上的凹凸表面便會導致 不平均化學物質轉移 ，指紋通常帶有重約 一毫克的物質 ，其中以 汗水為主 (99 ％水及鹽 ) ，其他微小成分包括胺基酸、尿素 以及一些從其他身體部位轉移至手指的 肥膩物 。

指紋 留於堅硬、不疏孔以及光滑的表面 上便叫「 可見的指紋 」。使 用一些白色或黑色的微細粉末 ，很容易便把這些指紋凸顯出來照相。指紋 留於柔軟、疏孔以及不平滑的表面上 便是「看不見的指紋」，常用的方法是 Cyanoacrylate 煙燻法 ，在「看不見的指紋」上 產生 一些 白色的合成物 而顯露於人們的眼前 。

血印也是一種在罪案現場常見的證據，「 濺血 分析」可以幫助案件重組以及確認或否定證供。 在罪案現場的血印可以用作提取 DNA 資料以便和案中的疑犯及受害人作對比。在 DNA 紋印分析中，鑑證科人員會利用聚合 ? 鏈反應來擴增在血液或血印上提取的 DNA 樣本，再用局部把 DNA 切割成大小不一的碎片，再把這些碎片分離並依照其大小排列成組紋。這些組紋便是 DNA 紋印。在一件凶殺案中，疑犯身上或衣服上的血印會取得 DNA 紋印，再與受害人的 DNA 紋印作較對。假若二個 DNA 紋印是相同或是非常近似，這些結果便可用作為有法定效力的證據來進行起訴。

鑑證科人員常常還要檢定一些不明的物質。這些物質可能是從吸毒及販賣毒品的疑犯身上檢出的毒品或是一些從有疑點的火場中檢出的易燃物。又或是一些在爆炸或槍戰現場拾獲的殘留粉末。

在目前，已發展出多種不同的實驗方法，可以針對不同特質的物質作出檢驗分析。
從十多年前的第一宗用科學鑑證法判定「紙盒藏屍」案疑兇罪成到現在家喻戶曉的「鑑證實錄」電視劇，普羅大眾已經對想對鑑證有了初步的認識，然而其中所涉及的科學知識是很深入和奧妙的，它們將有待許多對科學有興趣和理想的同學去探索。

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從理論上講，自發的氧化還原反應都可設計成原電池。實際上，要求作?電源的原電池的電壓要達到一定值，電容量比較大，經濟和攜帶方便等。現在已製成多種用途的化學電源，下面將常用的幾種做以介紹。

一、乾電池

普遍用在手電和小型器械上的乾電池，外殼鋅片作負極，中間的碳棒是正極，它的周圍用石墨粉和二氧化錳粉的混合物填充固定，正極和負極間裝入氯化鋅和氯化銨的水溶液作?電解質，?了防止溢出，與澱粉製成糊狀物。電池放電時反應如下：
負極：Ｚｎ－２ｅ → Ｚｎ ２＋
正極：２ＮＨ 4 ＋ＭｎＯ 2 ＋２ｅ → ２ＮＨ 3 ＋ＭｎＯ＋Ｈ 2 Ｏ
電池反應：Ｚｎ＋２ＮＨ 4 Ｃｌ＋ＭｎＯ 2 → ＺｎＣｌ 2 ＋２ＮＨ 3 ＋ＭｎＯ＋Ｈ 2 Ｏ
正極?生的氨將在炭電極周圍形成氣態的絕緣層，這種情況可由於Ｚｎ ２＋ 離子向炭極遷移而防止，Ｚｎ ２＋ 離子和氨分子反應生成配合離子，如〔Ｚｎ（ＮＨ 3 ） 4 〕 ２＋ 。
新制乾電池的電動勢?１.５Ｖ，這樣的乾電池是 “ 一次 ” 電池，不能充電再生。

二、蓄電池

蓄電池能夠充電再生，當其放電時，發生自發反應，它起一個原電池的作用；充電時發生電解反應，起電解池的作用，可使原來的反應物再生。
汽車上所用的鉛蓄電池是最常用的蓄電池之一。它是由間隔的海棉狀的鉛板和二氧化鉛所構成，並浸在硫酸溶液中。當電池放電時，發生下列反應：
負極（Ｐｂ）：Ｐｂ＋ＳＯ 4 ２－ －２ｅ → ＰｂＳＯ 4
正極（ＰｂＯ 2 ）：ＰｂＯ 2 ＋４Ｈ ＋ ＋ＳＯ 4 ２－ ＋２ｅ → ＰｂＳＯ 4 ＋２Ｈ 2 Ｏ
總反應：Ｐｂ＋ＰｂＯ 2 ＋２Ｈ 2 ＳＯ 4 → ２ＰｂＳＯ 4 ＋２Ｈ 2 Ｏ
由上可知，兩電極上都生成硫酸鉛，由於其難溶性，沈積在電極上而不溶解在溶液中。由於反應中硫酸被消耗，有水生成，所以可用測定硫酸的密度來確定電池放電的程度，當硫酸的密度降到１.０５ｇ · ｍＬ － 1 或電壓降低到１ .９Ｖ時，就要充電。
當電池充電時，就是通以直流電，鉛板與電源負極相連，二氧化鉛板與電源正極相連，在電解過程中，上述電極反應都逆向進行：
陽極（ＰｂＯ 2 ）：ＰｂＳＯ 4 ＋２Ｈ 2 Ｏ－２ｅ → ＰｂＯ 2 ＋４Ｈ ＋ ＋ＳＯ 4 ２－
陰極（Ｐｂ）：ＰｂＳＯ 4 ＋２ｅ → Ｐｂ＋ＳＯ 4 ２－
總反應：２ＰｂＳＯ 4 ＋２Ｈ 2 Ｏ → Ｐｂ＋ＰｂＯ 2 ＋２Ｈ 2 ＳＯ 4
故該蓄電池的反應可表示?：
Ｐｂ＋ＰｂＯ 2 ＋２Ｈ 2 ＳＯ 4 → ２ＰｂＳＯ 4 ＋２Ｈ 2 Ｏ

充電後，單個鉛蓄電池的電動勢約?２.１Ｖ。汽車上用的是將６個蓄電池串聯起來，電動勢約?１２Ｖ。

三、燃料電池

如果使Ｈ 2 ，ＣＯ，ＣＨ 4 等燃料的氧化還原反應在電池裝置中發生，則可直接將化學能轉變?電能，這樣的電池稱?燃料電池。
阿波羅號太空船用的就是氫燃料電池，其負極是多孔鎳電極，正極?覆蓋氧化鎳的鎳電極，用ＫＯＨ溶液作?電解質溶液。在負極通入Ｈ 2 ，正極通入Ｏ 2 ，電極反應如下：

• 負極：２Ｈ 2 －４ｅ＋４ＯＨ － → ４Ｈ 2 Ｏ
• 正極：Ｏ 2 ＋２Ｈ 2 Ｏ＋４ｅ → ４ＯＨ －
• 電池反應：２Ｈ 2 ＋Ｏ 2 → ２Ｈ 2 Ｏ

燃料電池的重要意義是把化學能直接轉換成電能。如今絕大部分電能是由汽輪發電機?生的，而汽輪發電機則是靠煤、石油或天然氣燃燒所?生的熱量進行運轉的。在這裏化學能轉換成電能是間接的：其中化學能首先轉換成熱，然後熱又用於?生蒸氣。這種間接過程無論在理論上還是在實用上都比電池進行的直接效率低，最好的電廠也只能將燃料燃燒熱的３０％～４０％轉換成電能，剩餘部分消耗在空氣和水體中，從而導致熱污染。而燃料電池由於電流直接發生，則可以不受熱機效率的限制，理論效率可達到１００％，實用的燃料電池效率現已達７５％。故燃料電池是一種理想的、高效率的能源裝置，同時也極大地減少由電力生?帶來的熱污染。氫燃料電池就是一種成功的、無污染的新能源。

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螢火蟲因為會發光，因此在昆蟲中顯得相當特別而引人注目，螢火蟲為什麼會發光？其發光目的為何呢？發光器早在卵胚胎的末期就已出現，大部分的種類在幼蟲、蛹與成蟲腹部末端具有明顯的發光器。19 世紀法國人開始研究生物的發光，經由調查發現中南美洲產有一類會發光的叩頭蟲(Pyrophorus spp. )，在其前胸背板側緣各有一枚發光點，經研究發現發光的反應是一種螢光素和一種螢光酵素的氧化還原反應，螢光酵素在常溫、常壓下使發光反應進行非常有效率；三燐酸作用產生複雜的氧化還原反應，這種反應是連續性的進行著。螢火蟲的光沒有伴隨熱，能量和效率非常高。約2～10％的能量轉為熱量，而其餘能量完全用來發光，因此螢火蟲的光並不像電燈泡般燙人，故稱為「冷光」。

螢火蟲的發光器是由發光細胞、反射層、氣管、神經表皮組合而成。神經是用來傳達訊號，可控制發光及一些物質的經過。發光是由氣管、酵素、發光細胞複雜的發光反應後開始運作。光是由反射層向外側反射，經由透明幾丁質的表皮透射。幼蟲、蛹和成蟲的發光器是隨著生活期的不同而有所差異，幼蟲期時發光器在第八腹節的兩側；蛹和成蟲的發光器是在腹板末端二節。發光器若未分化完成時，如給予外來刺激，會持續的發光。雌雄性別在發光器的形態有明顯的差異，是配偶識別的重要特徵，此外發光器形態的不同，亦可能產生不同的光譜，以傳達不同的語言訊息。

不同種類螢火蟲發光顏色也有所不同，如黃緣螢的光較偏黃色，紅胸黑翅螢的光為橙色。每種螢火蟲發光時間和頻率也不同，閃光都有特定節奏，只有同種的螢火蟲才能相互辨認對方所發出光的訊號，而這種訊號對成蟲而言，往往就是求偶的信號，以達辨認對方，互相會合，進行交尾。

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