圖片：以硫酸銅、硫酸亞鐵與硫酸鎳所製造的化學花園，在這個案例中，硫酸鐵結晶的生長速度最快也最明顯。
作者：嚴融怡
化學花園(chemical garden)又稱為矽膠花園(silica garden)，這是一個已經馳名甚久並且被科學界研究長達四百多年的經典實驗。它不僅讓科學家在早期了解到半透膜的原理，這一實驗過程也是化學中創造複雜結構的自組織非平衡過程的最佳案例之一。而且尺度的跨度極大，從奈米跨越到公分甚至可以達到公尺的層級。它的奇蹟關鍵是反應區流體平流下的自我傳播，形成半透沉澱膜，並保持陡峭的濃度梯度，再以滲透力和浮力作為流體流動的驅動力。化學花園的實驗據說早在煉金術士時期就已被發明和研究。也經常被用以比擬和研究生物結構的成長過程或是天然環境當中的沉澱物結構增長，像是海洋熱泉噴口附近的沉積物動態。有的科學遊戲書籍會把化學花園實驗改名為『海底花園』或是『海底化學花園』，事實上，這個實驗和遠古以來地球的海床環境運作還真的有一些關聯性，海床的熱液環境可以視作一個很大型的天然化學花園。化學花園的相關原理也一直常被一些科學家用以探討早期地球海床化學特性以及由熱液環境造成生命誕生的過程等。科學家曾經透過天然化學花園的探討，產生了這一個重要的構想：早期地球海底鹼性熱液噴口自然產生的化學花園電化學電池可能聚集了氧化還原、滲透和化學滲透(pH)梯度作為自由能源，並推動生命的產生。構成這類海底熱液丘不斷更新的最外表面沉澱膜在熱液噴口活躍的大約10萬年的時間可以一直保持著不平衡，並且塑造類似化學花園的反應環境。事實上，就連前幾年曾經在霸王寒流肆虐時期被新聞熱播的死亡冰柱(海水冰柱，Brinicle）雖然其生成原因主要與局部鹽度上升所造成的凝固點下降效應有關，但由於死亡冰柱的冰晶常常是從極地海洋的浮冰底部向下生長的空心冰管所發展而成。在一定程度上，科學家也把這類冰柱看成是逆化學花園的一種形式，因為這種情況下的密度差異會導致冰管向下生長。
化學花園雖然是一個古老的實驗，但是它的應用和所能解釋的原理卻非常繁複，甚至直到近幾年都還有科學家試圖從化學花園的原理去延伸應用到奈米材料的生產當中。科學家也無所不用其極的去設法改變當中的許多細部流程與方法，以試圖從中取得更多有趣的細部機制。像是科學家也曾藉由改變過度金屬鹽類的注射方式(例如以幫浦透過選擇性流速來注入到溶液中)或是使用乳化技術來讓反應物的顆粒性質改變等各類方式來改變沉澱物增長的情形，並試圖研究各種生成結構的細微機制。甚至將電極放置在化學花園結構的內部和外部溶液中，以進行電位測量和了解當中與電化學相關的特性等等。甚至在特定條件下，磁場也可以影響管狀沉澱物的生長。佛羅里達州立大學的研究團隊還發現一些化學花園的結晶沉澱材料一開始是有彈性的，但隨著時間的增長，材料會變得更加堅硬且容易斷裂。而改變中間的過程也可能會改變結晶物的幾何圖案。而研究者也從這類實驗當中去研究材料的自我修復能力。
當然，在我們一般給予中小學生操作的化學花園實驗並沒有那麼複雜。而是採用最經典而簡單的方式。我們是以水玻璃(矽酸鈉)的水溶液和人工添加的過渡金屬鹽類來產生美麗的化學結晶，並藉此讓學生對於沉澱結晶物生長以及半透膜的運作能有一個有趣的動態展示。水玻璃(矽酸鈉)中的矽為四面體結構，它以共價鍵來鍵結氧，而當中的氧離子則與鈉離子形成離子鍵。當水玻璃遭遇到帶有過渡金屬離子(如鐵、銅、鈷、鎳等)的鹽類時，過渡金屬離子會與水玻璃的鈉離子進行離子交換，而形成具有半透膜性質的『過渡金屬矽酸鹽類薄膜』。此一薄膜可容許水分子滲透進入，然而當水進入半透膜超過它所能承受的滲透壓時半透膜便會爆開，並促使內部金屬鹽溶液流出；這時內部新鮮的過渡金屬鹽類又會將它的過渡金屬離子瞬間和水玻璃的鈉離子進行離子交換，然後再度形成新的半透薄膜，之後又再度容許水玻璃溶液中的水分子滲透進入半透膜，然後當滲透壓過大時又會再度爆開，並流出金屬鹽溶液，然後又形成新的薄膜，依此類推。在這中間反覆進行的過程當中，結晶將會持續延伸生長，直到反應結束。
圖片：化學花園實驗當中半透膜反覆形成與破裂以及結晶增高的原理示意圖
這是一個相對簡單並且傳承自煉金術士時代的實驗，過程如下：
1.在透明容器中加入市售水玻璃液體，然後在當中加入５倍體積的水，蓋好蓋子，先搖晃均勻後靜置。水溶液的液面建議高度可低於10公分。
2.取過渡金屬鹽類（例如：硫酸亞鐵、硫酸鎳、硫酸銅、氯化鐵、氯化亞鈷等固體）約半刮勺，直接倒入水玻璃水溶液。但記住多種鹽類盡量不要相互重疊
擠壓，以避免彼此干擾結晶。
3.盡量不要移動或晃動燒杯，在靜置觀察過程中，過渡金屬鹽的結晶將會逐漸往上長出管狀或樹枝狀的結晶物，並且越來越高。可以觀察並描述不同金屬鹽類的結晶增長速度、結晶形狀和構造的差異。
圖片：正在持續增長當中的過渡金屬鹽類結晶。
圖片：當氯化亞鈷與硫酸鎳、硫酸亞鐵和硫酸銅搭配時，氯化亞鈷的長晶速度會是最快的，畫面中紫色的結晶以及右下角紫紅色的結晶為含有氯化亞鈷的晶體成長物。
參考引用資料：
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2.國立台中教育大學(NTCU)科學教育與應用學系(無日期)。化學花園。科學遊戲實驗室。取自https://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-031.html
3.陳乃綺(2017)。Penny老師教你創意玩科學。麥田出版。
4.鄭永銘(2016年8月13日)。死亡冰柱。跟著鄭大師玩科學。取自https://www.masters.tw/121851/brinicle
5.Barge, L. M., Cardoso, S. S. S., Cartwright, J. H. E., Cooper, G. J. T., Cronin, L., Wit, A. D., Doloboff, I. J., Escribano, B., Goldstein, R. E., Haudin, F., Jones, D. E. H., Mackay, A. L., Maselko, J., Pagano, J. J., Pantaleone, J., Russell, M. J., Sainz-Díaz, C. I., Steinbock, O., Stone, D. A., Tanimoto, Y., and Thomas, N. L. (2015). From Chemical Gardens to Chemobrionics. Chem. Rev. 115, 16, 8652–8703. Retrieved from https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.5b00014
6.Haughney, K. (JULY 3, 2023). Planting Seeds: FSU researchers dig into how chemical gardens grow. Florida State University News. Retrieved from https://news.fsu.edu/news/science-technology/2023/07/03/planting-seeds-fsu-researchers-dig-into-how-chemical-gardens-grow/
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