口罩製作及其原理

材料及工具:

  1. 透明膠套/防水棉布
  2. 廚房過濾紙
  3. 吸水面紙
  4. 縫紉工具
  5. 棉質橡皮筋
  6. 鐵線(可選)

製作步驟:

  1. 剪裁透明膠套/防水棉布、廚房過濾紙及吸水面紙。(參考圖樣。來源:Daya.cz)
  2. 按照下列順序將布料縫在一起:透明膠套/防水棉布(面層)、廚房過濾紙(中層)及吸水面紙(內層)
  3. 按照面型及耳朵的位置,在左右兩側固定棉質橡皮筋
  4. 可選:在鼻樑位置以水平方向固定鐵線,佩戴時調整口罩弧度

注意事項:

  1. 上述製作方法僅供參考,不保證具備醫學口罩同等功能
  2. 佩戴口罩前後應使用梘液及清水,或酒精搓手液清潔雙手
  3. 當口罩內側吸水面紙溼潤後,應立刻更換口罩
  4. 請勿重複使用同一口罩

製作口罩的原理

市面販售的醫用口罩,其主要作用為防止飛沫傳播病毒顆粒。它的結構分為三層:

Use Mask Properly

(圖片來源:衛生防護中心)

1) 面層是一層防水的材料,防止外來飛沫穿過口罩。另外,面層可以阻擋較大的粉塵。

2) 中層是過濾病原體的材料,視乎材料會有不同的過濾效果。過濾的原理有許多種,其中最為人熟悉是通過控制濾材的孔洞大小,攔截大於孔洞的物質。

另外,部分口罩的濾材使用熔噴不織布(Meltblown Nonwoven)。將聚丙烯(Polypropylene,簡稱PP)加熱至熔點,然後壓成布料。熔噴不織布的纖維排列無定向,形成不規則的空洞;除此之外,熔噴不織布的纖維對病原體顆粒產生靜電吸引,從而隔絕病原體穿過口罩。

3) 內層是一層吸水的材料,吸收佩戴者呼出的濕氣。

生物進行有氧呼吸作用時,會將養分轉化為葡萄糖,轉化能量,並釋放二氧化碳及水。所以,呼出的空氣與未經呼吸的空氣相比,二氧化碳及水的含量會較高。除此之外,說話及呼吸時,亦會產生飛沫。為了防止佩帶者的病原體通過飛沫穿過口罩,口罩的內層會使用吸水的材料製作。

 

口罩的外形設計

口罩需要覆蓋使用者的口與鼻。通常製作口罩時,只需要按照面型計算圖樣大小及形象製作圖樣,然後按照圖樣剪裁布料。口罩通常會加入金屬線,方便調整鼻樑突出部分。

不過,事情總有例外。例如,美國疾病管制中心就提出,男性的鬍鬚形狀可能突出工業口罩的範圍,令口罩失去效果:

FacialHairWmaskSmall

(圖片來源:美國疾病管制中心部落格)

其實,我們可以使用3D設計軟件,按照自己的面型,設計及製作別出心裁的口罩外形:

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大家不妨使用參考圖樣或3D軟件,按照上文的步驟製作屬於自己的口罩,發揮創意對抗疫情。

資料來源:

  1. 衛生防護中心
  2. Daya.cz
  3. 美國疾病管制中心

肥皂製作及其原理

養成良好洗手習慣,是維持個人健康與公共衛生的重要一步。洗手時,我們會使用肥皂增加清潔效果。那麼,肥皂是如何製作的呢?肥皂的主要成分是硬脂酸鈉,可以通過油脂及氫氧化鈉合成。不過,氫氧化鈉有強鹼性,下列製作方法則使用皂基。

製作方法:soap1-1

清潔原理:

soap2-1

思考題:

  1. 為甚麼我們洗手不但要使用清水,還要使用肥皂?
  2. 洗手後,應使用毛巾或手巾弄乾雙手,而非任由水分蒸發或「fing」乾雙手。為甚麼?

 

冠狀病毒的名字由來

要認識「冠狀病毒」的名字從何而來,我們要回答兩個問題:「病毒」是甚麼?「冠狀」是甚麼?

首先,病毒是一種有機體,最少有兩個部分:遺傳分子(DNA或RNA),還有包裹保護遺傳分子的蛋白質衣殼

需要注意一點,病毒不完全算是一種生物。一般而言,生物有著七大特徵:呼吸攝食生長運動排洩感應(對刺激進行反應)繁殖。病毒沒有前面六種特徵,也無法自行繁殖。病毒必須感染其他生物的細胞,才能自我複製,這是病毒與細菌(具備生物七大特徵)最大不同的地方。

  病毒 細菌
呼吸 不能
攝食 不能
生長 不能
運動 不能
排洩 不能
感應 不能
繁殖 僅在感染其他生物細胞後才能自我複製 只要環境適合就能繁殖

病毒種類繁多,可以通過其遺傳分子種類(DNA或RNA)、數量(單鏈或雙鏈)、外型等不同方式。其中,「冠狀病毒」的名字,來自這類病毒特有的外型。

上文提及,病毒都有遺傳分子和蛋白質衣殼,而冠狀病毒則要加上最外層的脂質包膜。在電子顯微鏡下,可以看到脂質包膜上嵌入的蛋白質特出物,看上去像是皇冠或者日冕,所以叫冠狀病毒。

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(冠狀病毒的結構。圖片來源:Wikimedia)

病毒通過感染其他生物細胞,將自己的遺傳分子結合到宿主細胞,讓宿主為它們製造新的病毒。冠狀病毒發現於人類及動物,感染宿主的上呼吸道與腸道,通過飛沫傳播等方式擴散。所以,佩戴口罩、經常洗手及避免前往病毒廣泛傳播地區,是保護自己及避免散佈傳染病的方法。

思考題:

  1. 自從機械人面世以來,就出現過關於「機械人是否屬於生物」的辯論。從上文提及生物七大特徵中,機械人符合多少特徵?試列舉出來,判斷機械人是否屬於生物。

參考資料

[1] Fehr, Anthony R, and Stanley Perlman. “Coronaviruses: an overview of their replication and pathogenesis.” Methods in molecular biology (Clifton, N.J.) vol. 1282 (2015): 1-23. doi:10.1007/978-1-4939-2438-7_1

[2] Masters, Paul S. “The molecular biology of coronaviruses." Advances in virus research 66 (2006): 193-292.

[3] 衛生防護中心。2019冠狀病毒病常見問題。

甲醇、乙醇、2-丙醇(異丙醇)

市面常見的消毒搓手液通常含有乙醇或2-丙醇(異丙醇)作為消毒成分。近日,海關於藥房搜出含甲醇之消毒搓手液(連結)。到底甲醇、乙醇、2-丙醇(異丙醇)有何關係?它們對人體又有甚麼影響?

甲醇、乙醇、2-丙醇(異丙醇)都是屬於醇類的有機化合物。有機化合物的特性可以通過官能基(functional group)瞭解。醇類,意指帶著羥基(-OH)的有機化合物,此類化合物有著沸點低、易揮發及易燃等特性。

甲醇是最簡單的醇,化學式是CH3OH,常作為工業原料使用,以前也用於製成清洗擋風玻璃的玻璃水。甲醇在人體新陳代謝中會氧化成甲醛和甲酸,故具有高度的毒性,不適合使用於人體。

182px-Methanol_Lewis.svg182px-Methanol-3D-vdW(圖1:甲醇的化學結構。圖片來源:Wikimedia

乙醇就是我們常說的酒精,化學式是CH3CH2OH。人類在文明發展早期便發現了酵母能夠將糖類發酵成乙醇,讓酒精飲料稱為人類文化的重要一環。除此之外,乙醇也可以作為燃料及有機溶液使用。

182px-Ethanol-2D-skeletal.svg182px-Ethanol-3D-vdW圖2乙醇的化學結構。圖片來源:Wikimedia)

2-丙醇(異丙醇)的化學式是CH3CH2OH,可以作為燃料及有機溶液使用。

150px-Isopropanol-skeletal180px-Isopropanol-3D-vdW圖3:2-丙醇(異丙醇)的化學結構。圖片來源:Wikimedia)

醇類能夠作為消毒液的原料使用,是因為蛋白質需要維持獨有的立體結構才能發揮供用,而酒精能夠令蛋白質變性(denature),失去獨有的立體結構。 同時,細菌的細胞膜由磷脂(phospholipid)組成,而作為有機溶液的酒精可以溶解這一層細胞膜,破壞細菌的結構。對包膜病毒(enveloped virus)的脂質外套膜同理。然而,甲醇具有高度的毒性,不適合用於製作消毒搓手液,世界衛生組織建議的消毒搓手液製作法(連結),將乙醇與2-丙醇(異丙醇)並列為可行的製作原料。需要注意的是2-丙醇(異丙醇)的揮發性較低,也不適合對2-丙醇(異丙醇)敏感人士使用。

參考資料

[1] 維基百科

[2] 明報新聞網。"藥房檢過百支含甲醇消毒液 海關拘5人"。2020年3月4日。

[3] Harrington, Charles, and Harold Walker. “The germicidal action of alcohol." The Boston Medical and Surgical Journal 148.21 (1903): 548-552.

[4] PRICE, PHILIP B. “Ethyl alcohol as a germicide." Archives of Surgery 38.3 (1939): 528-542.

[5] Morton, Harry E. “The relationship of concentration and germicidal efficiency of ethyl alcohol." Annals of the New York Academy of Sciences 53.1 (1950): 191-196.

酒精搓手液製作及其原理

材料及工具:

冰晶凝膠/蘆薈凝膠:25g

95%酒精:75g

100mL壓瓶(或其他容器)

玻璃棒/筷子/打蛋器/其他工具

 

方法:

  1. 將雙手及所有工具預先消毒
  2. 將95%酒精加入凝膠
  3. 用玻璃棒/筷子/打蛋器/其他工具將混合物,攪勻至凝膠與酒精完全混合
  4. 將完成的酒精搓手液加入壓瓶
  5. 放置24小時以上,然後就能使用

安全須知

  1. 酒精為易燃液體,製作、放置及使用時須遠離火源。
  2. 此酒精搓手液為清潔雙手設計,不應用於眼睛、口腔或其他器官。
  3. 手部表面有傷口時,不應使用酒精搓手液。
  4. 使用後若發現有紅腫或痕癢跡象,應立刻停用並即時求醫。
  5. 製作酒精搓手液可以加入茶樹精油或維他命E,唯加入後之濃度不應超過1%。

 

酒精消毒的原理

  1. 蛋白質需要維持獨有的立體結構才能發揮供用,而酒精能夠令蛋白質變性(denature),失去獨有的立體結構。
  2. 細菌的細胞膜由磷脂(phospholipid)組成,而作為有機溶液的酒精可以溶解這一層細胞膜,破壞細菌的結構。對包膜病毒(enveloped virus)的脂質外套膜同理。

 

思考:為甚麼不直接使用高濃度的酒精(95%)進行消毒?

滲透作用(osmosis)是水分子經差異透性膜的擴散現象。當不同滲透壓的液體被具差異透性膜分隔時,水分子會由高水勢分子區域(即低濃度溶液)淨移動至低水勢分子區域(即高濃度溶液),直到兩邊的滲透壓及濃度平衡。95%的酒精具備高滲透壓,令病原體快速脫水且外部蛋白變性凝固,令酒精無法進入內部,令病原體內部蛋白變性。70%的酒精的滲透壓能夠令消毒效果兼顧微生物內外部分。

 

參考資料

[1] Harrington, Charles, and Harold Walker. “The germicidal action of alcohol." The Boston Medical and Surgical Journal 148.21 (1903): 548-552.

[2] PRICE, PHILIP B. “Ethyl alcohol as a germicide." Archives of Surgery 38.3 (1939): 528-542.

[3] Morton, Harry E. “The relationship of concentration and germicidal efficiency of ethyl alcohol." Annals of the New York Academy of Sciences 53.1 (1950): 191-196.

STEM活動課堂「天籟之聲」——十二平均律與等差數列 19/12/2019

「天籟之聲」來到最後一天,今天我們會探討聲學中的數學原理。

一首歌曲有高音有低音,這些高低起伏是從何而來?聲音來自物體的振動,而振動的頻率決定音高。當我們觀察樂器,會發現樂器長短不一的絃、長短不一的敲板、長短不一的吹管……這些物體以不同頻率振動,就能發出不同聲音。然而,單憑長短,難以為音樂定下標準音高。除了憑感覺調整,還有甚麼辦法呢?

若一個物體的振動頻率是另一個物體的兩倍,則前一個物體發出的聲音將是後一個物體發出的聲音的「純八度」高音。如果有若干個物體,每一個物體的長度與下一個物體的長度的比例都是相等,就會組成一個等比數列;這些物體振動時的頻率亦會有相同的比例,形成相等的音準。

聲學中有一個概念,名為十二平均律,就是將一個八度(例如高音C與低音C)分為十二等份,每一份稱為半音。為了達成這個要求,則需要將一倍頻率(兩倍長度)的低音與兩倍頻率(一倍長度)的高音變為首項與十二個數字的等比數列,等比數列的公比為2的12次方根。明代音樂家朱載堉於萬曆十二年(1584年)用九九八十一位算盤,計算出這個比例(準確至25位數字),將八度音等分為十二等份的算法,並製造出十二平均律律管及律準,是世界上最早的十二平均律樂器。今天,我們會探討聲學背後的等比數列數學概念應用到音,並以現代的計數機實證古人的計算結果。

STEM活動課堂「天籟之聲」——深入探討揚聲器 18/12/2019

「天籟之聲」來到第二天,今天我們會深入探討揚聲器。

揚聲器是由電磁鐵、線圈、喇叭振膜組成。揚聲器把電流頻率轉化為聲音。當電流通過線圈產生電磁場。電子儀器通過是一種指定頻率的交流電,通過一秒內特定電流改變次數,令揚聲器按照指定的頻率發出聲音。今天,我們根據電路知識連接,製作屬於自己的揚聲器。

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