小奈米大創新

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范賢娟｜臺灣師範大學科學教育研究所

奈米科技拓展出一個微觀的小尺度世界，物體變得極微小後，導電、導熱、磁性、透光等物理性質都與巨觀世界大不相同。過去數十年來，科學家在這個領域不斷探索，在基礎研究或應用層面都有很大的突破，引發出新的「產業革命」。但奈米科技的發展日新月異，仍有很多尚待發掘的空間，需要更多人的投入。

在大尺度時想了解材料的機械特性，可以用拉伸的方式，這種方法卻不適用於奈米尺度，必須運用更精密的儀器才能觀察。以掃描式探針顯微鏡（scanning probe microscope）為例，它可以探測樣本的表面形態，科學家也可藉這儀器量測施加力量於物體表面後所造成的形變曲線，進而獲得樣本的硬度、彈性係數等參數。

高雄應用科技大學機械工程系的方得華教授指導學生利用分子動力學模擬掃描探針微影術，研究鋁、鎳薄膜的動態壓痕與刮痕特性，並以負載與壓痕深度的關係圖，找出薄膜的機械物理量。他們發現，當壓痕的深度增加時，正向力與黏著力也會增加，且壓痕速度越快，負載力與黏著力也隨之增加。

方教授的研究團隊也探討自由層與同溫層兩者的差異。所謂的同溫層是指在處理過程中該層會維持一定的溫度，自由層則有可能在處理過程中改變溫度。模擬的結果顯示，在相同的壓痕深度時，自由層薄膜的負載力比同溫層薄膜小，前者的黏著力則較後者大。此外，鎳膜比鋁膜有更大的塑性變形。研究團隊也進一步研究鋁的其他變形機制，發現施以壓痕的傾斜角越大，要達到同樣壓痕深度的力就會隨之增加，而滑行也有特定的方向。這些特性或許可應用在航太或汽車等交通工具材料的研發上。

不僅如此，方教授還擅長把機械原理靈活運用於奈米科技，在既有的技術上加入創意。以「奈米毛筆」為例，別的研究者原先的構想是在探針表面鍍一層黃金，沾上自組裝分子膜硫醇後便能在基板上寫字，實際操作時卻不易控制。方教授則利用溫度升降來改變材料的黏滯力，對於「毛筆」與「墨水」的沾黏效果便能有較佳的掌握，讓操作者可以書寫出想要的圖案。

方教授信手拈來就有說不完的應用點子，他的學生原本對讀書並無濃厚的興趣，但受到方教授的啟發後，卻愛上研究。對他們而言，只要掌握基本的物理化學原理，再加上一些巧思，還是可以在奈米世界中創造許多驚奇。

資料來源

《科學發展》2012年6月，474期，74 ~ 75頁

黏著力(4) 顯微鏡(26) 奈米(47) 科發月刊(5214)

小奈米大創新

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