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創新的奈米馬達

自然界有很多圖形呈現出特殊的規律,可用圖案形成的數學方式來描述,相同的方法還可用在原子晶格的研究中,讓人有嶄新的發現。
 
 
 
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。
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