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：

（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：

（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：

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：

清潔原理：

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）及繁殖。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	能
攝食	不能	能
生長	不能	能
運動	不能	能
排洩	不能	能
感應	不能	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。

(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。

（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。

（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。

（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。