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館長隨筆

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 








國際數學日
刊登日期: 2021年3月14日

今天是(3月14日)星期日,大家又可以在繁忙的工作中休息一下。不過今天還有幾重意義,原來今天是國際數學日(International Day of Mathematics),也是愛因斯坦的誕辰,以及霍金逝世的日子。

國際數學日由圓周率日(Pi Day)演變而成,2019年正式由聯合國教科文組織頒布,2020年3月14日慶祝第一屆。

圓周率是一個無窮盡不循環的小數(無理數),在日常應用中,近似值3.1416已足以應付。現時圓周率的最準確値由美國人Timothy Mullicann於2020年發現,一共有50兆位。假如每秒讀一個數位,要大約158萬年才能讀完這個數!

不如簡簡單單聽聽音樂輕鬆一下。只要將數字0至9變成不同音符(例如0=C;1=D;餘此類推),就可以將圓周率化成一首樂曲(請按此收聽)。讓我們用這首特別的樂曲,來紀念兩位科學界巨人吧。





 


如何保持鮮花長開?
刊登日期: 2021年2月28日

在農曆新年等節日,很多人都會在家中擺放鮮花來應節。但鮮花擺放數天就會凋謝,有沒有方法延長擺放鮮花的時間呢?使用市面售賣的專用保鮮劑是否唯一方法呢?原來只要在水中加入某些家居常見的用品,就可以延長鮮花的壽命。

我們先了解一下導致鮮花凋謝的原因:

  • 1. 缺乏水分
    - 沒有根部的鮮花吸水能力大幅減弱
    - 水中滋生的細菌會導致運送水分至花朵的木質導管阻塞
  • 2. 缺乏養分
  • 3. 植物本身會產生乙烯,加速花朵凋謝

然後,我們用玫瑰花進行測試,看看在水中加入甚麼可以讓鮮花保持盛開(以1公升水為例):

只用清水,鮮花維持不了幾天便開始凋謝。

效果最佳
加入1茶匙漂白水和1茶匙糖 2茶匙白醋和2茶匙糖

醋的酸性有助抑制細菌滋生及促進鮮花的吸水能力,漂白水可殺滅細菌,而糖則為鮮花提供養分。兩種溶液的效果均媲美市面的鮮花保鮮劑,其實鮮花保鮮劑的主要成分正正就是殺菌劑、糖分和酸化劑。

效果不俗
加入1/4罐汽水

酸性的汽水同樣可抑制細菌滋生及促進鮮花的吸水能力,也有糖分供鮮花使用。加入檸檬片或檸檬汁亦有類似效果。

效果不俗
加入2茶匙70%消毒酒精

酒精不單可以殺菌,亦能抑制植物產生乙烯,從而減慢凋謝的速度。但切勿加入過量酒精,否則會殺死植物的細胞。

效果最差
加入2茶匙糖 1茶匙鹽

糖分固然可為鮮花提供養分,但同時亦促進水中的細菌滋生。而較高濃度的鹽分雖然可抑制細菌生長,但亦會令花朵脫水。


花朵保鮮測試結果
(按圖放大)



注意:切勿把漂白水與酸性物質(如醋及汽水)或酒精混合,以免產生有害氣體。


 





以自然為師:人造荷葉效應
刊登日期: 2021年1月27日

上一篇「館長隨筆」與大家分享了自然界的超級撥水大師─荷葉,原來我們在日常生活中也有應用荷葉效應。近年市面上出現的超級撥水噴劑,令衣物、鞋履及建築材料表面在噴塗後變得像荷葉般撥水及防污。迷宮玩具經過噴塗後,甚至可以用水珠代替彈珠呢!

超級撥水技術亦可應用在產品容器,大家有否留意一些黏稠的液體如蜜糖、番茄醬等,差不多用完時總有些殘留在瓶底,難以徹底倒出,不單惱人,也會造成浪費。若在容器內壁加上食用級別的超級撥水塗層,再黏稠的液體也能輕易倒出,避免浪費。

最後介紹一個小實驗,讓大家可以動手製造荷葉效應。首先將透明玻璃膠溶於天拿水中,再將棉質布料浸泡於溶液一會,待布料乾透後,就可體驗水珠滾動的效果(注意:小朋友要請大人協助,並在通風的地方進行實驗,不要吸入天拿水揮發出來的氣體或接近火種)。

動手製造荷葉效應

1) 準備材料、用具及棉質布料

1) 準備材料、用具及棉質布料

2) 將透明玻璃膠加進天拿水

2) 將透明玻璃膠加進天拿水

3) 搖動樽身使玻璃膠溶於天拿水中,直至溶液變成乳白色

3) 搖動樽身使玻璃膠溶於天拿水中,直至溶液變成乳白色

4) 將棉質布料浸泡於溶液約10分鐘後,取出再等布料乾透

4) 將棉質布料浸泡於溶液約10分鐘後,取出再等布料乾透

5) 布料變成超級撥水!

5) 布料變成超級撥水!


 


 





出淤泥而不染的荷葉
刊登日期: 2020年12月31日


影片展示荷葉的超級撥水性

以上的片段展現了荷葉超卓的撥水性,但如果大家曾經觸摸荷葉的表面,就會發覺葉面其實並不算光滑。那為甚麼荷葉的撥水能力比其他植物的葉片更強呢?

片段中有利用光學顯微鏡拍攝的荷葉表面照片,原來葉面滿佈像「手指頭」的突起物(乳突),而那些「手指頭」非常微細,直徑大約只有10微米,比頭髮要幼很多。如果用電子顯微鏡再放大觀察,「手指頭」上面還有細至納米級的蠟質小管 (直徑約100 納米)。蠟質屬於疏水性,簡單來說即是不喜歡親近水。


荷葉表面電子顯微鏡影像(圖片鳴謝 Superhydrophobicity in Perfection: the Outstanding Properties of the Lotus LeafEnsikat, H. J.; Ditsche-Kuru, P.; Neinhuis, C.; Barthlott, W. Beilstein J. Nanotechnol. 2011, 2, 152–161. https://doi.org/10.3762/bjnano.2.19 )

 

當水接觸到荷葉表面,佈滿疏水性蠟質小管的「手指頭」,以及水的表面張力,不只令水無法滲入「手指頭」之間的微細罅隙,反而會令水聚合成圓渾的水珠。因為水珠和葉面的實際接觸面積非常小,形成較小的黏附力,所以令水好容易流走。水滴在一般紙張上並不會形成圓渾的水珠,而會停留在紙張表面並慢慢滲入紙張。


比較水珠在荷葉及紙張上的形狀
比較水珠在荷葉及紙張上的形狀

荷花生長於水流緩慢的河流和池塘,所以演化出超級撥水的葉片,減少水在葉面上積聚,水珠流走時亦可帶走葉面的污泥或塵埃,以免阻擋陽光及導致葉片腐爛。除了荷葉,蝴蝶的翅膀同樣擁有超卓的撥水性,其原理亦涉及凹凸不平的表面結構。蝴蝶翅膀上佈滿鱗片,而鱗片排列方式以及鱗片表面細至納米級的結構,讓蝴蝶翅膀能夠迅速把水滴排走,以免影響飛行,這特性在下雨時尤其重要。


慢鏡片段顯示水在蝴蝶翅膀上流走的情況

生物為了適應環境,進化出不同的身體結構和能力,這正正成為我們研發新產品的靈感。荷葉效應也被應用在日常的撥水產品上,大家有沒有使用過這些產品呢?


 

 


充滿了科學的愛玉
刊登日期: 2020年11月20日

不少人都喜歡吃甜品或者飲台式飲料,而口感「Q彈」的愛玉是其中一種相當受歡迎的配料。大家又知不知道愛玉是怎樣製成呢?

愛玉的原材料來自一種叫愛玉子(或簡稱愛玉)的植物,把這種植物的種子放入網袋裏,在室溫開水中搓揉一會,之後讓水靜置一段時間,就會神奇地變成啫喱狀凝膠。為甚麼製作愛玉不用加熱或冷藏,只需在室溫的水中搓揉種子就大功告成呢?

原來愛玉種子表層含有豐富果膠和果膠酯酶,在搓洗過程中,兩者會慢慢溶到水中。果膠是長鏈狀的多醣,而果膠酯酶會改變果膠長鏈狀分子結構中某些部分,使果膠能夠連結水中的金屬離子(香港的自來水含有微量鈣離子、鎂離子等金屬離子)產生交聯反應。果膠長鏈與金屬離子如此互相連結,成為猶如海綿狀的網絡,把水分子鎖住,形成凝膠。

 


上圖解釋了水中的果膠與金屬離子的交聯反應
上圖解釋了水中的果膠與金屬離子的交聯反應
薜荔果實及內裏的種子
薜荔果實及內裏的種子

香港也有愛玉的近親,同是榕屬植物的薜(粵音:幣)荔,果實結構跟愛玉的相似,兩者都屬於無花果(隱頭果)。根據一些書籍記載 ,上世紀五十年代以前,香港街邊擺賣的甜品─白涼粉,就是由薜荔製作而成,過程跟製作愛玉差不多。

很多水果包括蘋果、提子等都含有豐富的果膠,而果膠在日常生活中有不少應用,尤其在食物製造業,例如製作果醬和乳酪。果膠甚至會應用於製造乳液、洗頭水等美容及個人護理產品中。所以水果對大家真的很有益處!

 

愛玉的製作方法

1) 預備愛玉種子及室溫的開水或礦泉水,比例大概1克種子對約50毫升的水。 注意:蒸餾水並不適用,因為缺乏金屬離子。雙手及使用的用具不可有油脂,油脂會阻礙果膠與金屬離子連結。

1) 預備愛玉種子及室溫的開水或礦泉水,比例大概1克種子對約50毫升的水。

    注意:
  • 蒸餾水並不適用,因為缺乏金屬離子。
  • 雙手及使用的用具不可有油脂,油脂會阻礙果膠與金屬離子連結。
2) 愛玉種子放入布袋,然後於水中輕輕的搓揉10-15分鐘,讓果膠及果膠酯酶慢慢溶到水中。注意:搓揉時間不宜超過15分鐘,且力道不宜過大,否則愛玉可能會無法凝固。

2) 愛玉種子放入布袋,然後於水中輕輕的搓揉10-15分鐘,讓果膠及果膠酯酶慢慢溶到水中。

    注意:
  • 搓揉時間不宜超過15分鐘,且力道不宜過大,否則愛玉可能會無法凝固。
3) 搓揉後,水明顯變成淡黃色及較黏結。在室溫下靜置約30-40分鐘,凝固後愛玉就大功告成。注意:靜置過程是讓果膠與金屬離子有足夠時間連結起來,所以不要胡亂攪動搓揉後的水

3) 搓揉後,水明顯變成淡黃色及較黏結。在室溫下靜置約30-40分鐘,凝固後愛玉就大功告成。

    注意:
  • 靜置過程是讓果膠與金屬離子有足夠時間連結起來,所以不要胡亂攪動搓揉後的水
4) 凝固後的愛玉可放置於冰箱儲存。愛玉本身比較淡味,食用時通常會加入調味或配料。

4) 凝固後的愛玉可放置於冰箱儲存。愛玉本身比較淡味,食用時通常會加入調味或配料。




 






膠袋,真的可溶於水?

刊登日期: 2020年11月2日

香港每年棄置超過40億個膠袋,數量多得驚人。我們都知道膠袋難以自然分解,會引起不少環境問題,但要於日常生活中做到零膠袋的確比較困難,所以我們首要減少使用和重覆使用膠袋。其次,我們亦可以考慮選用對環境傷害較少的替代品,近年市面上就可找到由聚乙烯醇和澱粉製成的膠袋。

聚乙烯醇是一種水溶性聚合物,所以這種膠袋可溶解於熱水中,再經過微生物降解變成二氧化碳及水。其實有不少產品是由聚乙烯醇製成的,例如近年興起的洗衣液膠囊,外層薄膜同樣由聚乙烯醇製成,所以膠囊會在洗衣過程中溶解。


大家可以在影片中,觀察一下傳統膠袋和聚乙烯醇膠袋在熱水中的分別。

此外,大家做勞作時,經常用到的透明膠水就是聚乙烯醇水溶液。大家不妨試試將膠水倒在一些平面上風乾,檢視一下乾透後薄膜的質感是否跟膠袋相似?


聚乙烯醇水溶液膠水及其乾透後形成的薄膜。
聚乙烯醇水溶液膠水及其乾透後形成的薄膜。

雖然聚乙烯醇膠袋未能成為傳統膠袋的完美替代品,我們可以多了解這類替代品,在日常生活中作出對環境更友善的選擇。不過無論用哪一種膠袋,記得少用、重用,保護地球!


 

 


動物界大聲公(二):蟬

刊登日期: 2020年10月7日

談及動物界的大聲公,又怎少得蟬呢?每年的夏季,不論在市區公園或郊外,我們都會聽到響亮的蟬鳴。有些品種的蟬,鳴叫聲更可以超過100分貝,跟電鑽發出的音量不遑多讓。但為甚麼細小的蟬可以成為大聲公呢?首先,只有雄性才能鳴叫,因為牠們要以響亮的鳴叫聲吸引雌性。雄性蟬的腹部有三個專為鳴叫而設的「特殊構造」─ 肌肉、鼓膜和空心的腹腔。相比之下,雌性蟬的腹部結構就簡單得多,看看下圖就可以比較兩者的不同之處。


蟬標本腹部第一節橫切面
蟬標本腹部第一節橫切面
雄性蟬其中一個鼓膜位置
雄性蟬其中一個鼓膜位置

雄性蟬腹部內有一對V形肌肉分別連接着身體兩側的鼓膜,像一塊薄膠片的鼓膜會被肌肉拉動而改變形狀,繼而發出聲音。下面的影片就以膠水樽模擬鼓膜發出聲響的原理,但蟬振動鼓膜的速度當然快得多,每秒可以振動接近400次。此外,蟬的腹部跟大部分昆蟲的腹部很不一樣,是空心的,所以鼓膜發出的聲音在腹腔產生共鳴而擴大,原理就像木結他空心的共鳴箱,幫助擴大聲音。

科學家對蟬如何以很少的能量發出巨大聲音很有興趣,並希望掌握蟬的發聲原理,應用在日常生活上,例如改進聲納探測技術等等。你也可以嘗試動手了解蟬的鳴叫原理,例如參考影片試試以膠水樽模擬蟬鳴,又或者嘗試製作共鳴箱來擴大聲音。


影片中模擬了雄性蟬腹部的肌肉如何拉動鼓膜發出聲響


 

 


動物界大聲公(一):沼蛙

刊登日期: 2020年10月6日

我們人類會透過說話溝通,而動物就以不同的鳴叫方式與同伴溝通。有些體型細小的動物反而能發出響亮的鳴叫聲,可算是動物界裏的「大聲公」,你有遇過這些「大聲公」嗎?

在春、夏季,大家走到溪邊或公園的池塘,就有機會遇到其中一位「大聲公」─ 沼蛙。沼蛙是香港常見蛙類,屬於兩棲類動物,主要生活在溪澗、池塘及水田。


影片:鳴叫中的沼蛙

為甚麼沼蛙要叫得那麼大聲?因為春、夏季就是牠們的繁殖季節,雄性沼蛙要「引吭高歌」才可以吸引異性,有時牠們還要大聲驅趕其他入侵領域的雄性沼蛙。牠們為了要發出充滿雄性魅力的聲音,演化出特別的身體構造。大家可以留意影片中,雄性沼蛙發聲的時候是閉上嘴巴,鼓脹口部下方兩側稱為「鳴囊」的泡泡。

沼蛙發出聲音的過程:
1. 閉上嘴巴,由肺部呼出空氣
2. 呼出的空氣經過喉部令鳴囊充氣,途中振動聲帶發出聲音
3. 聲音透過鼓脹的鳴囊傳開去

因為鳴囊像氣球般具有彈性,所以每一下鳴叫之後,鳴囊會縮回原狀,內裏的空氣就會回流到肺部,這樣沼蛙就可以迅速回氣,像「長氣袋」一樣持續鳴叫。除了有助鳴叫外,脹鼓鼓的鳴囊亦可以增加雄性沼蛙的外在魅力,吸引雌性的目光。

其實在大自然裏,每種蛙類都有獨特的鳴叫聲,所以科學家會把牠們的叫聲錄下來,得出聲學頻譜圖,分析其音頻隨時間的變化,這些資料有助進行生態調查或相關的科學研究。下次聽到蛙類在鳴叫,除了可以靜靜細聽外,也可以利用你的智能電話進行錄音,然後利用一些免費應用程式進行分析,並嘗試和其他聲音對比,說不定會有新發現呢!


沼蛙鳴叫聲的聲學頻譜圖
沼蛙鳴叫聲的聲學頻譜圖
雄性沼蛙鳴叫時口部下方兩側的鳴囊會脹大
雄性沼蛙鳴叫時口部下方兩側的鳴囊會脹大


 

 


閃電的光譜

刊登日期: 2020年9月30日

香港的夏季常受雷雨天氣影響,有時一場雷暴可以出現數千次閃電。一道電光足以把整個天空照亮,究竟這些強光蘊藏著甚麼秘密呢?

對於發光的物體,研究它的光譜是了解它們的好方法。把一小片衍射光柵放在手提電話鏡頭之前進行拍攝,就可以紀錄閃電的光譜。在光譜中,可以看到幾條較為明顯的顏色線,它們是氮離子的發射譜線。原來我們目睹了空氣中的氮,因閃電產生的高溫而被電離的過程。

閃電本來是大氣現象,但原來對生物非常重要。空氣中的氮氣被閃電電離後,會和氧結合成氮氧化物,再經雨水帶進土壤形成硝酸鹽,即肥料的成分。空氣中的氮進入了食物鏈,構成生物體內的蛋白質。(氮氣亦可透過微生物作用變成氨,再被其他生物利用。)

拍攝閃電光譜可以在室內進行,千萬不要在雷暴下走到空曠的地方,免生危險。







圖一. 泡沫泵頭的構造<br><br>
圖一. 泡沫泵頭的構造

圖二. 頂部的濾網比底部的更細密<br><br>
圖二. 頂部的濾網比底部的更細密


圖三. 泡沫產生的機制<br><br>
圖三. 泡沫產生的機制

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圖四. 一層額外、細密的濾網能產生如忌廉般的泡沫
圖四. 一層額外、細密的濾網能產生如忌廉般的泡沫
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市區中的樹頭菜花海


樹頭菜花海<br><br>
樹頭菜花海

樹頭菜的花會由最初的白色漸漸轉成黃色<br><br>
樹頭菜的花會由最初的白色漸漸轉成黃色

樹頭菜的每朵花有數十條暗紅色的雄蕊
樹頭菜的每朵花有數十條暗紅色的雄蕊
鶴頂粉蝶的翅膀頂有鮮艷的橙色斑紋
鶴頂粉蝶的翅膀頂有鮮艷的橙色斑紋


由木棉開始,認識香港樹木


開花中的木棉<br><br>
開花中的木棉

帶有棉絮的種子非常輕,可藉由風力傳播到遠處。<br><br>
帶有棉絮的種子非常輕,可藉由風力傳播到遠處。

木棉花的花蜜是鳥兒們的美食。
木棉花的花蜜是鳥兒們的美食。
 


 

最近更新日期: 19-03-2021

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