有趣的界面現象 -...
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有趣的界面現象
馬哲儒 教授
02.20.2005
主持人: 國立高雄應用科技大學 林仁益 林校長
為了替社會大眾增加
自己的知識與水準,國科會
很用心,在特定時間內的周
日舉辦了種種相關的科學
演講,藉以充實自己的領
域,俗話說:活到老學到
老。學習是不分國界、年齡.
只要想學.知識一定是你
的。像很多人會說阿 :聽什
麼演講,反正都聽不懂那些
演講人在說些什麼,如果這
麼說的話那你應該更來聽
看看,由國科會舉辦、邀請
的演講教授,絕對有能力把
深奧困難的東西講的淺顯
易懂,把高深的學問傳送給在場的聽眾也不論年齡大小都聽的讚不絕口,
符合了當今社會的大眾普及教育。這次我們很榮幸的邀請到曾擔任國立成
功大學化工系系主任、化工系所長、以及成大校長,且獲得第二屆歷屆傑
出成就獎的馬哲儒.馬教授。馬教授奉獻它的一生於科學研究上,且專精
於分離程序、輸送現場、沸騰與冷凝、界面現象、水之淡化、科普教育,
爾這次演講正是他拿手項目之一有趣的界面現象,馬哲儒.馬教授的頭
腦裡充滿知識,我們不要放過這次學習的機會,努力求知,再這 120分鐘
的 演講時間內盡情吸收。
廢話不多說…….馬上歡迎馬哲儒.馬教授…(請掌聲)
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演講人:
很多演講經驗非常豐
富的學者常跟我說:要聽
眾認為臺上的演講人是位
了不起的演講者,到演講
後半段必須講一些高深莫
測的說法讓別人聽不懂,
這樣才會令聽眾覺得你知
識富,是位了不起的演講
人。不過我不希望這樣
做,我希望我講的每一
句、每一句話都能讓各位
聽眾都聽得懂,這樣才是
我今天來的的目的,
其實我們活在這世界
上,嚴格講起來世界上沒有任何一樣東西是可以叫做均勻的,我舉二個例
子:
一、 液體…一杯水,一杯超純水,我們可以說是杯很乾淨很均勻的水嗎?
我們可以說它很乾淨,但說水均勻那是錯誤的,因為水的表面與空
氣接觸,表面自然而然會殘留空氣中的塵埃和懸浮粒子,且水中也
必然有氣泡的存在,我們不敢肯定在倒水的時候不會有空氣跑進
去,所以超純水只可以說它超純,說它均勻那是錯誤的觀念。
二、 氣體…在空氣中我想也不用我講,大家也都知道空氣中佈滿了灰塵
與雜質和細菌,所以氣體也絕對是不均勻的物質。
在日常生活中有所謂的三態:固態、液態和氣態;用界面的方式說明
又可分為:氣態/液態、氣態/固態、液態/液態、液態/固態、固態/固態,
而態與態之間就必然有界面,界面也可以說是表面。而「界,介」可表示
介紹、媒介,而「面」可表示地界、分界,在這世界上絕大部分的反應、
事件、相互運動、摩擦…等,都是發生在界面上;在物理世界是如此,在
當今社會更是如此,各種物理化學都發生在界面上。想知道到底是怎麼回
事,原因是什麼?就必須先了解界面與界面之間的關係,我舉個範例好了,
比如說人所組織而成的團體依族群可看成不同的相,當然也發生很多界面
與界面之間的相互作用,這也就好比在物理和化學之間的反應作用
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看上面第一個圖兩個相對物質接觸時,在物體的接觸表面就存在著界
面或介面,而介面與介面之間有力的產生,我們也可以說是兩處有應力的
產生。
第二張圖是某種物質與真空的地方互相接觸,而接觸之間是不可以說
有介面,而要說是表面,但…其實我們所說的真空還是多多少少存在著一
些雜質,如果說要製造出真空的空間,可以說是不可能的。
我們假如把藍色色素倒入一杯清水,由
圖片可以看出當藍色色素與清水接處,
可以很明顯的發現清水與藍色色素之間
介面與介面之間的物理反應,介面之間
的反應不是說你要開始反應它就會開
始,介面與介面之間的反應,會由外到
裡面,且所有介面之間的互動都是在兩
介面還未完成均勻時產生。
甲相 乙相
甲相
介面或界面
真空 (什麼都沒有)
表面
介介面面、、界界面面與與表表面面
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以正方體為例以正方體為例
接下來我來解釋介面的相關性:我之前有提到我們生活在一個不均勻
的世界上,界面有的時候很重要,有的時候又不重要,怎麼說呢?那就要
看介面與介面之間的相關性,看是跟大的東西比較還是小的東西。舉幾個
簡單的例子:地球很大,對人來說而言相當的巨大,假使地球發生戰爭、
發生地震、海嘯,對人類而言是天大的消息以及感受,對地球而言則是微
不足道,就是因為地球很大。再舉個例子:巴黎鐵塔很大對吧,在巴黎鐵
塔上生了一些鐵銹,過了一、兩百年巴黎鐵塔還是好好的,這就說明因為
巴黎鐵塔太大,鐵銹是微不足道的。
為什麼一個人和一隻蟲都從高處往下掉,而人可以說是死定了,而蟲
可能會活的好好呢?人的重量比蟲大很多,由牛頓定律裡可以知道重量越
重你所受的衝力也就越大(p=mv),再加上空氣阻力是在表面上發生,也因
為人比較大,蟲比較小,所以人表面阻力跟蟲比起來也就不重要了。這也
和物體的長度、面積、體積、比例有很大的關係:面積與長度的平方成正
比,而長度又包括表面積、截面積,體積與長度立方成正比,體積也可叫
做體重,也就是說面積/體積之間有著很大的影響關係
長度,長度,m m 面積,面積,mm22 體積,體積,mm33 面積面積//體積,體積,mm--11
101077 ((地球地球) 6) 6××10101414 10102121 66××1010--77
10 (10 (鯨魚鯨魚) 6) 6××10102 2 101033 0.60.6
1 (1 (人人) 6 1 6) 6 1 6
1010--2 2 ((毛蟲毛蟲) 6) 6××1010--44 1010--66 66××101022 ((百百))
1010--3 3 ((蚊蚊) 6) 6××1010--66 1010--9 9 66××101033 ((千千))
1010--6 6 ((微米微米) 6) 6××1010--12 12 1010--18 18 66××101066 ((百萬百萬))
1010--9 9 ((奈米奈米) 6) 6××1010--1818 1010--2727 66××10109 9 ((十億十億))
球體也是一樣球體也是一樣
面積面積//體積體積 == ((ππDD22 ) /() /(ππDD33/6) /6) == 6D6D--11
以上圖表示說明面積/體積之間的比值。
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再來我們講:水有一層皮嗎?
講到界面現象不外乎水,水的表面有股張
力,也就是我們常說的表面張力,而以白話一
點的講法就是水有一層皮。
那我們如何看見這種張力呢?其實相當地
簡單,有空去公園走走,常常會發現公園裡的
池塘裡看到相當多的蟲,為何這種蟲可以在水
的表面上走來走去,不會沉下去,那是因為這
隻蟲的重量相當輕,水可藉由表面的張力把蟲
撐起來,以致於它不會往下沉。
如左圖可以看到迴紋針因水的表面張力而
浮於表面;講到這我來講個小故事:以前的女孩
常說把繡花針放在水面上如果不會沉下去,就
代表你以後會嫁個好老公,會有個美滿的生
活,如果沉下去也就代表你的婚姻以後會亮起
紅燈。
那為什麼有些人擺上去會沉,有些人則不
會呢?其實相當的簡單,在放迴紋針以前,東摸
摸西摸摸,使迴紋針表面有一層油,或是髒東
西,總而言之就是不能讓表面太過於乾淨,就
可以很輕易的完成這樣實驗。
在我們生活中,我們假使想要得到一個非常乾淨的表面或東西,是相
當不容易的,嚴格講起來都是相當髒的
如左圖裝滿水的杯子,我們可
以發現,就算水已經裝到滿出來一
些,頂部位子的水也不會流出杯子
外,如果想要使水不會與杯子形成
張力,必須用一個絕對乾淨的杯
子,不然一定會跟左圖一樣。
這是因為在這一個實際的社會
裡,沒有一個東西是絕對乾淨的,
就算想把杯子弄到絕對乾淨,拿去
爐子做高溫殺菌的處理,有機物會
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被燒毀,無機物被融於玻璃杯裡,是可以達到乾淨的程度,但只要拿出爐
子,不用幾秒鐘空氣中的雜質會馬上附著於表面,馬上有變成一個髒的東
西,所以要做出「絕對乾淨的」是相當困難的,就像半導體這類高科技產
業,需要在無塵室生產,且無塵室並不是所謂的絕對乾淨,只能說是一種
高度潔淨的環境狀況下。
表面(界面,介面)張力是與寬度成正比,舉最簡單的例子,相信大家
都玩過橡皮筋,當橡皮筋的寬度越寬那也相對的要用更大的力去拉它,它
才會伸長,反之越細則力量用的越小,所以表面(界面,介面)張力就像是
單位長度(寬度)的力,也就等於單位面積的能量;講到能量,可以發現自
然界中的能量有降至最低的趨勢;之前我有說過單位面積能量越多,表面
能就越高,所以表面能也是以降低的趨勢,以及表面縮至最小的趨勢。
左下圖是一個高度簡化的模型圖,可以讓聽眾更容易了解我所說的,
其實真正的模型圖並沒有那麼的簡單,要
了解只要隨便去網站上捉,都可以清楚了
解真正的樣子(如下右圖)。
如圖可以看到有四個顏色較深的水
分子,在水底下兩個水分子與它附近任何
一個水分子接觸,彼此與彼此間所受的力
都是均勻的,而在表面空氣中的分子因與
水分子接觸,使得表面水分子受力不平
均,當然受力也是不均勻的,也因為受力
是不均勻,所以使水的表面生出一層表面
張力。
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物料 表面能,ergs/cm2
銅 (1047oC,固體) 1670
金 (1027oC,固體) 1410
汞 (16.5oC,液體) 487
水 (20oC,液體) 72.75
聚乙烯 (固體) 36
乙醇 (20oC,液體) 22.75
鐵弗龍 (Teflon,固體) 20
氦 (-207.5oC,液體) 0.308
物料 表面能,ergs/cm2
銅 (1047oC,固體) 1670
金 (1027oC,固體) 1410
汞 (16.5oC,液體) 487
水 (20oC,液體) 72.75
聚乙烯 (固體) 36
乙醇 (20oC,液體) 22.75
鐵弗龍 (Teflon,固體) 20
氦 (-207.5oC,液體) 0.308
我們這次講表面張力,當然張
力是多少呢?不同的物質材料有不
同的表面張力,而當今科學界,表
能能也越低越好的趨勢,為什麼呢?
因為這樣可以解釋以下很多有趣的
事情。
為什麼?
*把固體打碎、磨成細粉,要做許多功,消耗很多能量,把液體分散成小水滴也
是一樣?
我們如果把一個固體或是液體
分成兩半以後,可以發現在切開處同
時增加兩塊面積,上文有提到過表面
能與面積體積長度有關,如果要把這
固體切斷,必須給予大於這表面張力
的能量才行,而實際上要敲碎石題的
能量更遠比此圖切斷的能量還多。
*水成為滴狀,為何水銀和熔化的金屬更喜歡成為滴狀?
如左圖可以很清楚的看見一滴水
在一片荷葉的表面上,如果這水滴能夠
縮成一個水滴的話(看與水接觸的材料
性質),當縮成水滴時,水滴的表面積
最小,相對的表面能也就越小,如上方
表示各式材料的表面能值,可以知道水
的表面能是 72.75ergs/cm*c,m而水銀
和熔化金屬的表能能都遠遠大於水的
表面能,所以比水更容易成為滴狀。
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*會沾濕金屬但不會沾濕塑膠?
如 上 方 所 示 各 式 材 料 的 表 面 能 值 可 以 知 道 水 的 表 面 能
72.75ergs/cm*cm,當水附著在金屬表面上時,水與空氣產生另一種
介面能量(假設:x),而水又與金屬接觸產生另一種介面能量(假
設:y),當兩種介面力量相加起來的值比金屬本身的表面能(假設 z)
小,所以水滴不會形成滴狀,而會散開,以至於沾濕金屬(x+y<z)。
而為什麼不會沾濕金屬呢?是因為水與空氣產生另一種介面能量(假
設:a),而水又與塑膠接觸產生令一種介面能量(假設:b),當兩種介
面力量相加起來的值比塑膠本身的表面能(假設 c)大,所以水滴會形
成滴狀,而看見水滴集中的狀態,所以不會沾濕塑膠(a+b>c)
*鐵弗隆(teflon)為何可以做成不沾鍋?
鐵弗隆是一氟化物,由上圖表面能值能可以知道水的表面能
72.75ergs/cm*cm遠遠大於鐵弗隆的 20ergs/cm*cm,所以當水灑在鐵
弗隆表面上時,水會形成滴狀,可以在鐵弗隆表面上滑來滑去,以達
到不沾鍋的目標。
*酒的(掛杯)現象?
(左圖為掛杯現象,由上往下拍攝)
傳統觀念認為酒會產生掛杯的現象就表示那是杯
好酒,其實是一點關係都沒有,那是錯誤的觀念,這
是一種常見的表面張力的現象,大家都知道酒以最簡
單的方式說明就是由水加上乙醇,再由上圖表面能值
可以知道水的表面能 72.75ergs/cm*cm,乙醇的表面能
是 22.75 ergs/cm*cm。
首先我們先把酒杯稍微搖動一下,讓酒附著在酒杯
上,此時杯中不管在裡面或是杯壁上的乙醇與水分都在
蒸發,乙醇沸點比較低-蒸發比較快,水則是沸點較高
-蒸發比較慢;蒸發造成杯中的乙醇濃度比較低,水濃
度比較高;而在杯壁上也是水沸點高於乙醇,也因此乙
醇蒸發比較快,使得杯壁中的乙醇不像在杯中的乙醇可以一直持續補充,
而導致在杯中的酒精比水多,而在杯壁中酒精卻比水還少,也因為杯壁中
的水濃度比杯中的水濃度高,使杯壁的表面張力比杯中的表面張力大,表
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面張力就像一股拉力,最後杯中的酒就被拉到杯壁上,時間一久,杯壁上
的液體越多,等到最高負荷,會藉由地心引力再把酒拉回酒杯中,這就是
所謂的掛杯現象
*滴式冷凝(dropwise condensation)的故事?
比如說我們在一座工廠裡面,常常
需要水蒸氣瞬間冷凝成液體,通常冷凝
器都是經由冷凝管內通過冷水,再經由
蒸氣接觸冷凝管,而導致水蒸氣溫度迅
速降低而成液體,所以傳熱速率就變的
相當重要,假如傳熱性質很好的話,那
冷凝器就可以做的比較小,降低成本。
我對這冷凝器有個小故事,在我拿到學位時候,在一間公司服務,一
天因查資料在圖書館中無意中碰到一位學長,這位學長邀請我去聽個演
講,真是相當有意思;在這演講人所演講的內容是說它在一根銅管的表面
電鍍上一層黃金,使得這根金屬棒的熱傳效率變的很高,當水蒸氣碰觸這
根金屬管時,立即變成水滴,(如左上圖),也因為傳熱性好,這根銅電鍍
金的冷凝器造價比銅管冷凝器還便宜,就是因為傳熱好,製造時體積不用
造的那麼大,降低成本。不久,有很多人都從事這樣研究。但是實驗做下
去過了幾年後,發現大家都做錯了,為什麼呢?因為每個教授都叫人去金
店鍍金,且都吩咐要告知金店老闆鍍了幾兩、且要鍍得漂漂亮亮,最後每
個老闆都在鍍金表上添加上亮光劑或是其他化學物質,大家都沒注意到黃
金的表面能是 1000多,水的表面能是 70多,黃金表面能大於水,水應該
是一層覆蓋在黃金表面,不可能在黃金表面成滴狀反應,如果要成滴狀反
應不需要度上亮光劑,增加成本,只要把它表面稍微弄髒一點就可以啦。
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*界面活性劑
兩性分子可以簡單的區分兩個性
質,一頭是喜歡跟水接觸的親水性,一
頭是厭惡水的親油性,吸附(absorb)在
水的表面上,降滴水的表面能(張力),
也會降低水與其他界面能,這就是所說
的清潔作用。
舉個例子來說明一下,一個介面活
性劑或是表面活性劑,從左圖從
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2--CH2-CH2
-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2是一種油,是種
有機厭水的親油性,後半段 SO4-Na是個
無機親水性,如果以更簡單的方式表達
就像圖片中像針的樣子,細細長長的就
是親油性,前頭像顆球的就是親水性。假使有杯水,這介面活性劑或是表
面活性劑,親水性的一端就會緊密接觸水的表面層,而厭水的親油性就會
被擠到水以外的地方。
左圖為一個肥皂泡泡的簡
單虛擬的假想膜,可以很清楚的
看見親水性端面與親油性端
面,親水性端面(圓頭)會靠近水
分子(三角形),而厭水的親油性
(條狀)則會在留在膜外面,右圖
是真實在顯微鏡觀察下所拍攝
的肥皂泡泡膜。
如圖所示,假設有兩層表面活性劑包附著水
分子,為什麼當把泡泡吹出去泡泡不會破掉?
首先,先假設表面的膜變薄,從圖上可以很清
楚的看見,附於表面上的介面活性劑數目變
少,所以在變薄處上的表面張力就變大,由於
中間部分的介面活性劑少於兩旁的活性劑數
目,所以中間部分會把兩旁的活性劑數目往中
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冰
熱
(a) (b)
冰
熱
(a) (b)
間拉,所以泡泡(界面活性劑)具有修復活性表面的功能。
接下來介紹一些小實驗證明張力變化
的過程,(1)首先先拿一條線圍成一個
圈圈,再放至於水面上,此時再拿一
些肥皂放至於圈圈中間,由於壓力小
張力大的關係,內部壓力比外部壓力
大,所以繩子會撐開來。(2)把一塊薄
片的材料加工成如左圖第 2 個一樣,
在後方缺口處加入少許的肥皂粉末,
就可以藉以發泡使張力變小(壓力變
大),此時後方的壓力大於前方,藉此
把材料往返前方推行。(3)先把一個裝
九分滿的玻璃管,讓中間有空氣跑進
去,再拿一個帶熱的物件接近,此時
發現氣泡左邊表面張力因受熱變小,
所以氣泡就會慢慢的往帶熱物件移動。(4)左圖第 4 個圖,假設是一個鍋
子在表面部分塗上一層油,再加熱中間的部分,會發現中間的溫度越高表
面張力越小,所以油會往兩旁移動;假使把溫度往下降的話,就會跟第 5
個圖一樣,油會往中間集中,就是因為溫度變低張力變大的原因。
相變與成核
從一個相中產生另一個原來不存在的相,而這個相可以是沸騰、冷
凝、結晶。舉幾個簡單的例子:把一個水加熱至沸騰狀態,直到出現水蒸
氣,或是把水蒸氣的溫度急劇下降形成滴狀,這就是一種簡單的相變,伴
隨而生的是相與相之間的界面,因此需產生新的相,必須提供足以讓相轉
變的介面能、如加熱…。但是,新的相面積越小,每個分子所分擔的界面
能就越大,更不容易產生,而大的又是由小的所成長而成,故要使一個物
體產生相變,是需相當多的能量或是界面能,因此在均勻的系統中,相的
變化極難發生,幸好就有種子(seeds)或胚胎(embryos)的存在。
像是一個氣球,剛開始吹的時候需要用很大的力氣去吹,可是吹到大
之後就很容易吹起來了,這是因為Δp = 2σ/r,如果氣球半徑 r越小,
則單位面積所受的力Δp 越大,而單位面積所受的力相當於單位體積的能
量。所以要使半徑很小的汽泡與水平衡存在,水溫必須是非常高溫的。假
使氣泡半徑 r =∞,溫度 T=100℃,所以當 r<∞,溫度會大於 100℃(T>100
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℃)。因此讓非常純的水沸騰是很難的。
如果買了一個氣球,你想把它吹起來時,剛開始你要花很大的力氣,
等到氣球已經開始膨脹的時候,此時你不需花太大的力氣就可以輕鬆地將
氣球吹起來了。這是因為氣球表面跟氣球裡面的壓力是一種表面張力的一
種應用。氣球的半徑越小,壓力就越大。
今天如果氣泡的半徑無窮大,則表面張力就會越大。所以說水的氣泡
它的 r無窮大時,它的溫度就是 100℃,則一大氣壓之下,它沸騰就是 100
℃。
當 r 比無窮大再小一點時,它的溫度就會再上升,即大於 100℃。由
此可以得知 r越小,沸騰所需的 T就會越高。故要讓水的氣泡開始沸騰是
非常難的。
我們拿一個乾淨的燒杯,裡頭裝著很純的水,當 p在 1大氣壓的時候,
水蒸氣和水是保持在平衡的狀態。如果水裡面多了一個小氣泡(半徑為
r1),此時水所需沸騰的溫度就不只 100℃了。我們將水加入這個氣泡的溫
度定為 T1,如果加入大一點的氣泡(半徑 r2),此時沸騰所需的溫度(這裡
定為 T2),則 T2 會小於 T1。當燒杯裡同時存在這兩個氣泡,則沸騰所需
的溫度會介於 T1和 T2之間,此時大的氣泡會越來越大,小的氣泡就會越
來越小。
水在 100℃一大氣壓下,它有一種分佈
的情形,而水蒸氣也有一中分佈情形。
在水要轉變為水蒸氣時,之間的能量稱
為”汽化熱”。當水中有一個小氣泡
時,這個氣泡會被壓到消失;但是水蒸
氣中有小氣泡時,它會越來越大。
![Page 13: 有趣的界面現象 - 週日閱讀科學大師science.nchc.org.tw/science/science2004/paper/4.pdf · 有趣的界面現象 馬哲儒 教授 02.20.2005 主持人: 國立高雄應用科技大學](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040306/5ec97182c18133726b4d5707/html5/thumbnails/13.jpg)
啤酒中中的成核現象
現在拿兩瓶啤酒來解釋一下,先把兩瓶啤酒
蓋子打開,用手指按住其中一瓶啤酒的瓶口,輕
輕的搖一搖,就發現如(圖二)右邊的情況一樣,
氣泡從酒瓶裡滿出來,為什麼會這樣呢?啤酒裡
面溶解了許多的二氧化碳,而在啤酒瓶底部本身
就存在著少需的空氣,而這些啤酒瓶底的氣泡
(一)
就像種子一樣,當外在藉以一個搖動的力量,使
底部的氣泡開始膨脹,就變成如(圖二)的情況一
樣。所以沒有種子的存在,成核現象是很難發生
的,再當今現實的社會更是如此。
(二)
Q1:界面現象可否用來解釋所謂的超導現象?
A: 在這所謂的超導現象裡有許多的材料,以最簡單的說法是把這些材料
為度降低(接近絕對零度(-273℃),再把電阻值降低,就可以把材料
接近為超導,現在很多知名的教授研發出更高階的技術,把超導提升
為高溫超導,我有仔細研讀過它們所研究的產物,但因技術成面過
高,我也無法為你做出完美的解釋,但我可以說超導現象與界面現象
是沒有關係的。
Q2: 奈米科技的蓮花效應與表面結構有什麼關係?
A: 我們滴一滴水滴在上面,可能會以為水滴已和蓮花葉接觸,事實上水
滴和蓮花葉中間還隔有空氣,因為蓮花葉上也許多的毛,使得蓮花葉
上呈現不規則形,就像一個看似很平的表面,事時上它在一些高階的
顯微鏡下是呈現不規則形的。