Page 16 - Science Focus (issue20)

is needed. In the case of Teflon , the predominant 世事難料，人生也往往並不會按照計劃進行。科學亦是如
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attraction is instantaneous dipole-induced dipole 此。儘管科學家從痛苦的經歷中才領悟到實驗有些時候需要
interactions, a type of van der Waal’s force. This 重覆多次才能獲得預期的結果（當然還有更多失敗的經歷等
requires an instantaneous uneven distribution of 著他們！），但有時候，始料不及的結果才是最理想的結果。 既然我們已經了解到鐵氟龍 TM 的結構，我們可以探究一 且慢​ —​ 那 麽 鐵 氟 龍 TM ​ 是
electrons in a molecule to produce a temporary net 易潔鑊物料鐵氟龍 TM 的發明者 Roy​J.​Plunkett​博士正是 下它的意外發明了​[1]。在 1938 年，剛取得博士學位的 Roy​ 怎樣 黏 附到平底鍋等的廚具 上呢？答
charge (or more accurately a dipole). However, the 親歷這段奇妙過程，把一個實驗失誤變成了科學奇蹟。「黏 J.​Plunkett​正研發新款的無毒製冷劑。在一項研究中，由於 案如下​[4]：您只可以強行把鐵氟龍 TM 暫時固
fluorine atoms, being able to strongly draw electrons 著」我們一起聽聽這個關於易潔鑊的故事吧！ 他需要用上大量的四氟乙烯氣體來合成一款新的化合物，因 定在一個表面上，或是輕微改變其化學結構使它可以附
towards itself as it is the most electronegative 此他生產了大量的四氟乙烯，並把氣體儲存在多個小容器 著在物件上。強行把鐵氟龍 TM 臨時固定的方法稱為「燒結
element, create a permanent negative charge on 您可能曾經聽過鐵氟龍 TM ，它的科學名稱為聚四氟乙 中。有一天在提取氣體時，他發現其中一個容器釋放的氣體 （sintering）」，過程是將鐵氟龍 TM 加熱至高溫並壓在其他
the polymer and hence prevent the formation of 烯（polytetrafluoroethylene/PTFE），是 由 相 同 的「單 比之前存入的量少，可是容器的總重量與之前比並沒有任 物質的表面。冷卻後，鐵氟龍 TM 會黏附在物質表面，但最終
the said molecular interaction between Teflon and 何改變。面對這個令人困惑的謎團，Plunkett​選擇鋸開容 可能會剝落。另一種方法是改變鐵氟龍 TM 的化學結構。由於
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other substances. This essentially prevents all kinds of 體（monomer）」重複連接而成的聚合物（polymer）。當 器，然後發現當中有一些白色粉末，這解釋了消失氣體的蹤 氟原子是鐵氟龍 TM 不具黏性的原因，因此除去當中的一些
materials from adhering to it, making it one of the most 中的單體被稱為四氟乙烯（tetrafluoroethylene）。雖然 影。經過一些化學測試後，Plunkett 確認該物質是由「消 氟原子可使其較有效地黏附於物質表面，具體方法包括利用
slippery substances known to humans. 讀起來好像很拗口，但實際上它只是一個簡單的結構：「乙
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烯」表示該單體的碳骨架具有兩個碳原子，通過碳碳雙鍵 失氣體」經聚合反應生成的聚四氟乙烯。​​ 離子高速碰撞鐵氟龍 TM 聚合物，或利用還原劑處理鐵氟龍 ，
Now, wait a second. How could Teflon be （carbon-carbon​double​bond）連接在一起。其中一個 這兩種方法都能使氟原子從聚合物中脫落。這就是如何把最
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adhered to a pan then, for instance? The best 鍵的斷裂可讓四氟乙烯單體彼此結合，形成聚合物。「四氟」 在進一步測試後，Plunkett​ 發現這種物質具有很高的 滑物料之一的鐵氟龍 TM 塗覆在各種表面上的奧秘了，包括您
answer [4]: you can only force its pure form to 是指與兩個碳原子連接的四個氟原子，它們取代了一般乙烯 耐熱和耐腐蝕性，最獨特之處在於聚四氟乙烯是一種非常 最信賴的易潔鑊。
attach temporarily onto another surface, or modify 分子中的氫原子。 順滑的物料。自 1945 年開始以鐵氟龍 TM 的品牌名稱銷售
its structure slightly such that the modified version 以後，法國工程師 Marc​Grégoire​在妻子的建議下，嘗試把 從慨嘆到驚歎，鐵氟龍 TM 的故事大概會被一直流傳下
can adhere to substances. The method of forced 這種材料塗在鋁造的平底鍋上，在 1954 年製造了第一個 去。儘管如此，本文不是鼓勵學生在自己的實驗中儘可能多
temporary attachment is known as “sintering”, in 易潔鑊​[2]。時至今日，易潔鑊仍然是透過在金屬製的烹飪 犯錯誤；反而，這個故事說明了意料之外的結果可能仍有其
which the Teflon is heated to high temperatures and 用具表面上塗上鐵氟龍 TM 而製成的。 價值。它也強調了觀察在科學上的重要性，即使在最平凡的
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pressed onto the surface of a material. Upon cooling 步驟中也是如此。正如 Plunkett 博士本人所說，正是他多年
down, the Teflon will adhere to said surface, but it 鐵 氟龍 TM 順 滑 的 特 性 來自聚合 物鏈 上電 負性很 高 以來的歷練和得來的知識才使他意識到所發生事情的獨特
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may peel off eventually. The alternative method is to 的 氟​[3]。使一種 物 質 能 附著 到 另一種 物 質 之 上，少不 性​[5]。如果他僅把問題忽略而止步，誰知道何時才會有人會
modify the chemical structure of Teflon . As fluorine 了要靠分子間的某種相互作用或吸引力來達成。對於鐵
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atoms are responsible for Teflon ’s “non-stickiness”, TM 發現聚四氟乙烯呢？
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removing a few of them will allow it to adhere to 氟龍 ​ 而言，主要作用的引力是 一種名為瞬時偶極 —​
substances better. This can be achieved by colliding 誘 發 偶 極 力（instantaneous​dipole-induced​dipole​
the Teflon polymer with ions at high speeds or by interactions）的范德華力（van​der​Waal’s​force）。這 References 參考資料：
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treating the Teflon with reducing agents, such that 種引力需要分子內電子霎時間不均勻的分佈以產生短暫的
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the fluorine atoms are broken away from the polymer. 淨電荷，更準確地說是產生偶極（dipole）。然而，作為電負 [1] Garrett, A. B. (1962). Teflon: Roy J. Plunkett. Journal
of Chemical Education, 39(6), 288. doi: 10.1021/
And that’s how one of the most slippery substances 性最大的元素，氟原子有把電子拉向自己的強烈傾向，使聚 ed039p288
can be utilized to coat various materials, including 合物上產生永久的負電荷，從而防止鐵氟龍 TM ​與其他物質 [2] Brunning, A. (2016, February 6). Chemistry History:
your trusty non-stick frying pan. 之間產生以上所說的吸引力。這基本上可以防止各種物料黏 Teflon & Non-Stick Pans. Retrieved from https://www.
compoundchem.com/2016/02/04/teflon/
附在其表面，使它成為已知的最滑的物質之一。
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From blunder to wonder, the story of Teflon will be [3] Farmer, S. (2017). Strange Chemistry: The Stories Your
remembered through the ages. Mind you, this article is Chemistry Teacher Wouldn't Tell You. New York, NY:
John Wiley & Sons, Inc.
not encouraging students to commit as many blunders
[4] Scientific American. (2001, February 5). If nothing
on their projects as possible. Rather, this story comes to sticks to Teflon, how does it stick to pans?
show that unexpected results can still be useful. It also Scientific American. Retrieved from https://www.
scientificamerican.com/article/if-nothing-sticks-to-
highlights the importance of observation even in the tefl/
most mundane steps in science. As Dr. Plunkett himself
[5] Science History Institute. (2017, December 14). Roy J.
said, it was his training that enabled him to recognize Plunkett. Retrieved from https://www.sciencehistory.
that something unique had occurred [5]. Had he org/historical-profile/roy-j-plunkett
neglected to take it a step further, who knows
when polytetrafluoroethylene would have
been discovered.

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