2013 五月號

第九十一期電子報  出刊日期:1020505   

 


 

創新的奈米馬達 

 

乳牛身上的圖案與貓身上的細條紋都可用圖案形成的數學方式來描述

 

在自然界有很多圖形呈現出特殊的規律,例如風吹沙堆與湖面的波紋、岩石的節理、六角形的蜂巢,甚至斑馬、長頸鹿等動物身上的紋路。科學家面對這些特殊圖形不會僅止於欣賞,還會思考其背後成因。雖然這些圖案看起來不大一樣,但如果以數學分析的方式來描述這種空間上的特殊周期,則會有某些相同的原則。

 

1970年代開始,史威福特(Jack B. Swift)與赫亨柏格(Pierre C. Hohenberg)等人探討流體在具有平面冷熱溫差的環境中,眾多小對流所呈現的集體圖案,這些圖案從正上方來看會形成條紋狀或六角形的規律排列。史威福特與赫亨柏格用簡化的數學模型來描述這種現象,之後許多科學家以這為基礎,描述其他周期性圖案形成的情況,因而開拓了「圖案形成」的理論。前述的各種常見的圖案,也都可以藉著這種方法來描述或利用化學物質的擴散與反應關係來得到。

 

雖然這在數學上有相似性,但是在不同領域中的應用,科學家還是得根據領域知識分析出各項參數的具體意義,而藉著這樣跨領域的遷移類比,也可協助在新的領域中有系統地找到影響圖案形成的關鍵因素。當科學研究邁入奈米尺度時,圖案形成理論也在這裡展現身手。

 

2000年初,科學家把這個理論轉個彎來描述原子這種同樣有周期性結構,但尺寸特別小的情況。不過,其中的對應並不是那麼直觀,經過很多人的努力,把一些數學參數跟實際材料的參數關係連結起來,才建立數學模型。後來大家才相信這是可以描述奈米尺度的原子系統。

 

清華大學物理系的吳國安教授以這方法探討奈米尺度下晶格的動力學、固液態界面特性,與晶體的「缺陷」界面。所謂的「缺陷」,意味著在缺陷界面的兩側晶格排列方向不一致,雖然物質仍是連續的,但缺陷兩側晶格排列方向會不同。

 

吳教授從理論入手探討的是一個圓形的缺陷面,也就是包起的內部晶粒的晶格排列與外圍周遭的方向不一致,在這種情況中,古典理論就可預測如果加熱,則缺陷面會往內縮。但吳教授根據史威福特與赫亨柏格的方程式探討這種情況,還發現內部晶粒會旋轉,就像是小馬達一樣,這是古典理論無法預測的。而在觀測上也有人看到這樣的情況,不過由於晶粒縮小到最後會消失,也就是整塊晶體的晶格排列方向會趨於一致,因此這種過渡階段的現象不容易觀察,也很難了解晶體旋轉的機制。

 

吳教授從理論上導出晶粒演化規則後,藉由特殊的缺陷結構,產生了「奈米齒輪」、「奈米馬達」、「奈米輸送帶」等超小型機械的可能性,同時可隨意調控晶粒大小。有關奈米機械的應用還需要大家創意發想,但調控晶粒大小就可以改變材料的物理性質,這樣的應用會非常廣。例如,目前已知當晶粒尺寸小於100奈米時,晶粒的平均尺寸越大,材料就越堅固,而大於100奈米時,情況剛好相反。因此可以藉由這項操控製作出聰明的材料,隨著不同情境的使用需要去改變材料的硬度。

 

這是個新興的領域,未來應該還有更多有趣的發現,以及創新的應用。  

 

范賢娟(民102)。創新的奈米馬達。科學發展,484。民102年5月1日,取自:

http://ejournal.stpi.narl.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/10204/10204-12.pdf

 


 

活動訊息_圖示


 

免試、特招細節 今年6/15前定案公布

 

十二年國教明年上路,立委蔣乃辛質疑,有關免試入學及特色招生細節還沒有完全確定,讓家長一知半解,教育部長蔣偉寧今天(24)表示,免試入學及特色招生所有細節將在6月15號前定案公布。

 

立委蔣乃辛指出,根據最新民調顯示,有五成家長認為明年十二年國教暫緩、不應該實施,有六成七家長質疑免試入學公平性,七成三的國中八年級學生家長,還不清楚十二年國教的入學管道,而基北區特色招生一下說要考「類PISA」,一下又宣布改由臺師大心測中心命題,讓家長非常不放心,教育部長蔣偉寧表示,十二年國教包括:免試、特招等所有細節措施,將在6月15號前全部定案,讓家長放心。

 

蔣偉寧部長表示,素養評量方式不排除未來有可能,但明年基北區特招確定不會考「類PISA」,也不會有「PISA題型」,至於是考2加1還是3科,已要求臺師大心測中心儘快研議做出決定,對於民調結果,也請國家教育研究院深入瞭解十二年國教的宣導成效。〈國立教育廣播電台,20130424〉

 


 

活動訊息_圖示


 

學科中心近期研習活動

 

 主題:102年度嘉義縣市夥伴學習群物理科教師
    增能研習
 日期:102.5.15(五)09:10~12:30
 地點:國立嘉義高工行政大樓4樓視聽教室
 師資:李旺龍 教授
    成功大學奈米科技暨微系統工程研究所

 

 主題:102年度雲林縣市夥伴學習群物理科教師
    增能研習
 日期:102.5.15(三)14:00~17:10
 地點:國立北港高中行政大樓一樓會議室
 師資:陳坤龍 老師
    臺南市佳興國中

 主題:102年度物理科縣市夥伴學習群增能研習- 
    台中市

 日期:102.5.23(四)13:00~17:10
 地點:國立臺中第一高級中學
 師資:陳坤龍 老師
    臺南市佳興國中

 

 主題:物理學科中心102年度數位玩科學-科學化
    實驗演示工作坊
 日期:102.5.24(五)13:00~17:10
 地點:國立臺中第一高級中學
 師資:林泰生 教授
    逢甲大學光電學系

 

 主題:物理學科中心102年度教學資源研發推廣
    小組及種子教師命題工作坊
 日期:102.5.30(四)13:30~17:10
 地點:大學入學考試中心
 師資:傅祖怡 教授
    國立台灣師範大學物理學系

 

 

 

 

 


科學活動及演講

 

 主題:奈米科技在能源的應用
 日期:102.5.3(五)14:00~16:00
 地點:國立自然科學博物館演講廳
 師資:陳郁文 教授
    中央大學化學工程學系

 

 主題:奈米科技與生活
 日期:102.5.17(五)14:00~16:00
 地點:國立自然科學博物館演講廳
 師資:洪連輝 教授
    彰化師範大學物理學系

 主題:Nanomedicine(奈米醫藥)
 日期:102.5.31(五)14:00~16:00
 地點:國立自然科學博物館演講廳
 師資:王寬 院士
    中央研究院生化所與物理所

 主題:探索阿凡達之奧祕-奈米與仿生科
 日期:102.6.14(五)14:00~16:00
 地點:國立自然科學博物館演講廳
 師資:吳重雨 教授
    交通大學電子工程學系

 

 主題:民國102年第三期「提升高中教師物理實驗教學能力計畫」
 報名日期:即日起到102.5.31(五) 
 上課日期:102.8.12(一)08:00~102.8.17(六)12:00〈第二梯次〉
      102.8.19(一)08:00~102.8.24(六)12:00〈第三梯次〉
 地  點:臺北市文山區汀州路四段88號國立臺灣師範大學公館校區
 師  資:林明瑞、陸建榮 
      臺灣師範大學物理系
 
 參加對象:高中職教師 
 活動網站:http://www2.phy.ntnu.edu.tw/activity/news.php?Sn=501

 

 

 

 

 

 

 

物理學科中心網址: http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/physical/index.html
聯絡電話:(04)22226081轉811          聯絡信箱:physics@tcfsh.tc.edu.tw
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