奈米科技中的力學

力學是一門歷史悠久的學科，而奈米科技則是近二十年來興起、被譽為可能是推動下一波工業革命的科技。本書試圖由力學觀點出發，將「力學」與「奈米科技」做具體連結，使具有力學基礎的讀者能漸進地進入奈米科技的領域。本書共有七章，第一章闡述了奈米科技、力學及二者間的關係；第二章以介電泳及光鑷為題，透過如何利用此兩項工具對奈米物體施力及力矩與動力學連結；第三章以原子力顯微鏡為題，透過懸臂梁與材料力學連結；第四章以奈米流體為題，透過其數學模式與流體力學連結；第五章以軟物質的力學與材料特性為題，統整奈米物體會遭遇到的各種力；第六章以利用分子模擬探索奈米結構為題，與量子力學連結；第七章討論超常材料，以拓展讀者視野。

李雨
國立臺灣大學機械工程學士（1979），美國明尼蘇達大學航空工程碩士（1982），美國加州大學柏克萊校區機械工程博士（1985）。自1985年起任教於臺灣大學應用力學研究所，現職教授。曾獲頒1987、2008、2011及2017年度臺灣大學優良教師獎。歷年研究領域有地幔對流、旋轉流、紊流、二相懸浮流、微流技術、廣義介電泳、細胞物理、奈米流體及甲殼素的凝血機制等。

施博仁
國立成功大學土木工程學士（1996），國立臺灣大學土木工程碩士（1998）、博士（2004）。結構工程技師高等考試及格（2000），曾服務於台灣世曦工程顧問公司（2006～2009），任建築結構設計工程師。自2009年起任教於國立高雄大學土木與環境工程學系，現職副教授。曾獲頒2011及2013年度高雄大學校級優良導師獎和校級教學優良教師獎。歷年研究領域主要為彈性散射波理論、掃描探針的流固耦合力學，近年專注於眼角膜和眼球動力學等議題。

江宏仁
國立臺灣大學植物學與化學工程學士（2002）、應用力學碩士（2004），日本東京大學物理學博士（2008）。2011年起擔任臺灣大學應用力學研究所助理教授與中央研究院物理所合聘助理研究員。研究領域為實驗光學、軟物質物理、非平衡輸送現象及主動材料的設計等。

趙聖德
國立清華大學物理學士（1992），國立臺灣大學物理博士（1999）。自2004年起任教於臺灣大學應用力學研究所，現職教授。曾獲頒2008年度國科會吳大猷先生紀念獎。歷年研究領域有分子光譜及化學反應動力學、第一原理力場分子動力學模擬、電動效應增益生物檢測器反應效率、強雷射與物質作用及非線性光電效應等。

陳瑞琳
國立臺灣大學造船工程學士（1986）、應用力學碩士（1988）、博士（1991）。1991至2002年在中山科學研究院航空研究所擔任助理研究員，2002至2004年在中央研究院物理研究所擔任博士後研究員。自2004年起任教於臺灣大學應用力學研究所，現職教授。曾獲頒2009及2014年度臺灣大學教學優良教師。近年研究領域為奈米學與光電物理，研究議題包括光子晶體、電漿子結構及電磁超常材料等。

李皇德
東吳大學物理系學士（2001），國立清華大學生命科學系分子醫學研究所碩士（2003），國立臺灣大學應用力學研究所博士（2009）。曾任工業技術研究院生醫所研究員（2009）及北京中國科學院訪問學者（2012）。2013年創立皇芯全球國際（股份）公司，現職總經理。曾獲遠哲基金會創意點子王冠軍（2004）、中華民國企業第17屆十大傑出創新研發金峰獎（2015）、台北國際發明暨技術交易展金牌（2016）。歷年研究領域有電腦輔助藥物設計、分子動力學、積體電路設計、創新醫療器材設計開發、醫學美容器械開發、刑事鑑識器材開發及反恐防爆科技研究等。

陳冠宇
國立虎尾科技大學機械與機電工程碩士（2009），現為國立臺灣大學應用力學研究所博士生。研究領域有微機電製程、光柵繞射光學、光鉗系統建立與操作、幾丁聚醣於凝血之研究等。

前言

李雨（臺灣大學應用力學研究所教授）

力學是一門歷史悠久的學科，在有文字記載的歷史出現以前，力學已應用在人類的日常生活中。就算由艾薩克．牛頓（Isaac Newton）在1687年發表的著作《自然哲學中的數學原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica）起算，至今已逾三百年。我們可利用力學的知識，了解很多日常生活中可觀察到的現象；在現今大多數廣泛使用的產品中，其設計及性能的優化也離不開力學的考量。所以大學工學院中有很多系所都以力學為其核心課程，也就是說，我們的社會中已有不少具備力學基礎的工程師及研究者。

奈米科技是近二十年來興起且熱門的課題，其精髓在於此技術有能力從原子或分子的層次設計及建造具備分子組織的結構體（1～100nm），使其具備規劃的性質，以開發嶄新的產品。如同其他工業產品，我們認為，如能將力學的內涵融入於奈米科技中，定能有助開發出更優化的產品。事實上，不少文獻已顯示了力學本已存在於奈米科技中。本書試圖由力學觀點出發，將「力學」此一經典科學與「奈米科技」此一新興科學做具體連結，使具有力學基礎的讀者能漸進地進入奈米科技的領域，以參與、研發這被譽為可能是推動下一波工業革命的科技。

撰寫本書的動機來自於筆者們在2012至2015年間所執行的一項研究計畫——「奈米科技通識與跨領域課程評估、研發與推廣」。該計畫屬奈米國家型科技人才培育計畫之一，由中華民國行政院國家科學委員會及科技部支助，其中的一個目標便是撰寫一本適合大專乃至研究所初年級學生閱讀的奈米科技書籍。

目前國內相關奈米科技書籍約有二十餘本，涵蓋適合高中生及一般社會大眾的科普讀物，乃至大專程度的專業書籍，而後者大多著重在材料及化工領域，尚無從力學觀點去看奈米科技的相關書籍。對於一位土木、機械、航空、造船工程等以力學為核心課程的學生或畢業生而言，他們擁有相當的力學基礎訓練，如有一本書可銜接力學知識與奈米科技，便能幫助他們進入奈米科技此一領域進行研究或產品開發。這些具力學背景的學生人數估計占工學院學生的半數，為本書主要的潛在讀者；此外，本書如能引起這些系所的學生對奈米科技的興趣，使其進而投入此領域，則對此科技的發展定有甚大助益。

大學部基本的力學課程有三，分別為：以剛體為對象的動力學、以固體為對象的材料力學（或稱固體力學）及以流體為對象的流體力學。本書一共有七章，第一章闡述了奈米科技、力學及二者間的關係；第二章以介電泳及光鑷為對象，透過如何利用此兩項工具對奈米物體施力及力矩與動力學連結；第三章以原子力顯微鏡為對象，透過懸臂梁與材料力學連結；第四章以奈米流體為對象，透過其數學模式架構與流體力學連結。修習過大學部力學課程、具有力學基礎的讀者，可藉前四章的內容漸次融入奈米科技此一領域。

在第五章中，我們以軟物質的力學與材料特性為題，統整及說明奈米物體會遭遇到的各種力；第六章以利用分子模擬探索奈米結構為題，說明相關計算的原理、方法及軟體程式，並與量子力學連結；第七章討論超常材料，雖然此一領域的基本原理為電磁學，但其分析方法與力學研究所採用者相似，且其設計及製造亦與力學有密切關連，讀者可藉本章拓展視野。

本書各章分別由不同作者撰寫，各章主題盡量集中，讀者可依需求、興趣選擇閱讀，不一定要依照順序。況且，奈米科技所涵蓋內容遠超出本書範圍，不可能逐一列入，筆者們只希望本書能引發讀者的興趣、吸引讀者投入奈米科技此一領域，並期望看到他們日後的成果，使奈米科技及力學此兩項學問均能有所進展。

我們相信，對於已有力學背景且擬欲從事奈米科技的新進研究生，本書可作為一本入門文獻，能引領他們進入此一有趣領域。本書各章的初稿源自於筆者們在「奈米科學中的力學」課程中所撰的講義，曾於2014年秋季在臺灣大學應用力學研究所開設，故本書也適合作為教材。

最後，我們希望本書能讓讀者對力學此一經典學科激發出新的火花，有趣的力學題目俯拾皆是！

作者簡介
符號說明
第一章　緒論／李雨
1-1 奈米科技
1-2 力學
1-3 奈米科技與力學
1-4 本書架構
註釋
第二章　介電泳與光鑷—以非接觸方式對奈米物件施力／李雨、陳冠宇
2-1 前言
2-2 介電泳
2-3 光鑷
2-4 小結
註釋
第三章　原子力顯微鏡與古典連續梁理論／施博仁
3-1 原子力顯微鏡基本介紹
3-2 古典連續梁基本介紹
3-3 高解析度顯微鏡的技術與發展
3-4 小結
註釋
第四章　奈米流體／李雨
4-1 什麼是奈米流體
4-2 奈米粒子的重力沉降問題
4-3 奈米流體的製備
4-4 奈米流體運動及熱傳的統御方程式
4-5 奈米流體的性質
4-6 奈米流體傳輸性質的模式及力學內涵
註釋
第五章　軟物質的力學與材料特性／江宏仁
5-1 布朗運動、熱與隨機運動分布
5-2 軟物質間作用力
5-3 軟物質的力學特性
5-4 軟物質的自組裝
註釋
第六章　利用分子模擬探索奈米結構／李皇德、趙聖德
6-1 簡介
6-2 理論介紹
6-3 實際操作與應用
6-4 小結
註釋
第七章　超常材料／陳瑞琳
7-1 前言
7-2 超常材料定義
7-3 超常材料性質
7-4 超常材料現象
7-5 超常材料原理
7-6 超常材料結構
7-7 超常材料應用
7-8 小結
註釋
結語
索引