奈米科技拓展出一个微观的小尺度世界,物体变得极微小后,导电、导热、磁性、透光等物理性质都与巨观世界大不相同。过去数十年来,科学家在这个领域不断探索,在基础研究或应用层面都有很大的突破,引发出新的“产业革命”。

奈米科技拓展出一个微观的小尺度世界,物体变得极微小后,导电、导热、磁性、透光等物理性质都与巨观世界大不相同。过去数十年来,科学家在这个领域不断探索,在基础研究或应用层面都有很大的突破,引发出新的“产业革命”。但奈米科技的发展日新月异,仍有很多尚待发掘的空间,需要更多人的投入。

在大尺度时想了解材料的机械特性,可以用拉伸的方式,这种方法却不适用于奈米尺度,必须运用更精密的仪器才能观察。以扫描式探针显微镜(scanning probe microscope)为例,它可以探测样本的表面形态,科学家也可藉这仪器量测施加力量于物体表面后所造成的形变曲线,进而获得样本的硬度、弹性系数等参数。

高雄应用科技大学机械工程系的方得华教授指导学生利用分子动力学模拟扫描探针微影术,研究铝、镍薄膜的动态压痕与刮痕特性,并以负载与压痕深度的关系图,找出薄膜的机械物理量。他们发现,当压痕的深度增加时,正向力与黏着力也会增加,且压痕速度越快,负载力与黏着力也随之增加。

方教授的研究团队也探讨自由层与同温层两者的差异。所谓的同温层是指在处理过程中该层会维持一定的温度,自由层则有可能在处理过程中改变温度。模拟的结果显示,在相同的压痕深度时,自由层薄膜的负载力比同温层薄膜小,前者的黏着力则较后者大。此外,镍膜比铝膜有更大的塑性变形。研究团队也进一步研究铝的其他变形机制,发现施以压痕的倾斜角越大,要达到同样压痕深度的力就会随之增加,而滑行也有特定的方向。这些特性或许可应用在航太或汽车等交通工具材料的研发上。

不仅如此,方教授还擅长把机械原理灵活运用于奈米科技,在既有的技术上加入创意。以“奈米毛笔”为例,别的研究者原先的构想是在探针表面镀一层黄金,沾上自组装分子膜硫醇后便能在基板上写字,实际操作时却不易控制。方教授则利用温度升降来改变材料的黏滞力,对于“毛笔”与“墨水”的沾黏效果便能有较佳的掌握,让操作者可以书写出想要的图案。

方教授信手拈来就有说不完的应用点子,他的学生原本对读书并无浓厚的兴趣,但受到方教授的启发后,却爱上研究。对他们而言,只要掌握基本的物理化学原理,再加上一些巧思,还是可以在奈米世界中创造许多惊奇。