分享本文至 E-mail 信箱
學術引用格式
MLA
APA
EndNote(.enw)

物質世界和生活問題的解答,都藏在低溫世界裡!──專訪中研院物理所陳洋元

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|廖英凱、美術編輯|張語辰

為什麼要研究「低溫物理」?

低溫領域不只是比較冷的世界而已,接近絕對零度的低溫,可以讓科學家觀察到電子的特性而了解物質世界。而將液態氮用於工程與生物,更能設計出能解決湧水地質工程難題的解法、與對生態無毒無害的紅火蟻防治方法。

中研院物理所的陳洋元研究員,絕招像是《ONE PIECE》漫畫中,青雉的冷冷果實能力。從打造臺灣第一台低溫比熱系統開始、配合稀冷機,為低溫物理研究奠定了良好環境,更利用低溫的特性解決生活問題。
攝影│廖英凱

冰凍時刻:挖隧道工程

低溫的運用,可不只有在微觀世界的物理研究而已,陳洋元與團隊將他們對低溫技術的理解,運用到真實世界,解決生活中所發生的問題。

1988 年起,臺灣開始興建雪山隧道,由於隧道施工路徑,行經了多數斷層、剪裂帶與地下湧泉,導致施工過程中的全斷面隧道鑽掘機 (潛盾機) 多次遭遇大量湧水而受阻。1997 年 12 月,更有一部機組因隧道崩塌而損毀報廢,因此,在湧水環境下依然能有效率地施工,即成雪山隧道工程的關鍵。

在雪隧豎井開挖前,陳洋元團隊先在中研院區試驗。此時液態氮正由冷凍管(白色)在冷凍地盤中。 圖片來源│陳洋元提供

陳洋元得知施工過程的湧水阻礙後,想到百年前英國開挖海底隧道、以及俄國會特別利用冬天結冰期來施工的冰凍工法,便主動寫信建議當時的交通部部長,並提出構想簡報。1999 年,負責雪隧施工的榮工處,也提供了一個研究計畫,讓陳洋元與實驗室團隊利用液態氮試驗冰凍工法,在雪隧的豎井施工地點嘗試施工,並取得了成功凍土開挖的成果。

用液態氮將土壤整塊結凍後,就能順利開挖出坑道,環形為冷凍後開挖出之冰牆。
圖片來源│陳洋元提供

冰凍工法的原理相當簡單直觀,就是利用溫度僅 77 K (−195.79 °C)的液態氮,使土壤中的水分結冰。土壤結冰後變得如岩石一般堅硬,開挖的過程中就能避免土壤因含水量過多、土質鬆軟而坍塌。

但是,如何讓低溫的液態氮,可以準確冷凍到需要開挖的部位,並確保冷凍的強度,則是實踐冷凍工法的困難之處。對此,陳洋元自行設計了液態氮冷卻、排氣與監測的工程系統,並透過電腦模擬估算液態氮的冷凍時間,成功開發出能開挖豎井的冷凍工法。

 

陳洋元設計的土壤冷凍實驗配置圖。
圖片來源│陳洋元提供   圖說重製│張語辰

但很可惜的,由於雪隧施工過程的工程考量、工期壓力與學科分野後的本位主義,陳洋元團隊的冷凍工法,最終仍未被雪隧的施工單位所採用。陳洋元認為,這代表了學術研究和技術落實的差異。

學術研究雖然可以驗證新技術是否有成功的機會,但要讓技術開發完成,仍需要實務單位投入組織團隊與資源。

不過很快地,冷凍工法又得到了來自工地現場的呼喚。2006 年台北市開始大規模建設與更新地下汙水道,在地下汙水道的豎井興建工程中,遇到例如華江橋一帶地下水位較高的地方,豎井深處會有湧水而完全無法開挖。若停下來抽水排除障礙會嚴重延誤工期,而造成施工廠商的重大負擔。因此,陳洋元老師接受了施工廠商的委託,設計出能在豎井底層使用的冰凍工法,解決了地底水平開挖工程的湧水問題。

(左)在豎井內透過推進機,水平開挖出汙水下水道
(右)利用液態氮冰凍工法,將豎井周圍的土壤結凍,改善開挖過程的湧水問題
圖片來源│陳洋元提供

 回顧起運用知識投入解決工程問題的經驗,陳洋元認為臺灣的產學合作與技術轉移,仍有相當多傳統思維需要突破。像是中研院雖有開發冰凍工法的經驗,但近幾年一些政府重大工程施工時,寧可高價雇用日本冰凍工法的團隊,也不願學習並採用中研院的技術。

兩棘矛:紅火蟻防治

不只是工程上,陳洋元團隊也將液態氮運用於紅火蟻防治。2001 至 2002 年間,紅火蟻透過運輸的貨櫃入侵到臺灣,成為影響農業、生態與人類安全的外來入侵種。利用熱水、化學藥劑等防治方法效果均有限,且須留意藥劑對生態的副作用。2004 年,當時的中研院李遠哲院長在立法院備詢與記者提問時,提出可利用液態氮消滅紅火蟻的構想。會後,李遠哲院長委託陳洋元開發液態氮撲滅紅火蟻的技術。

陳洋元與中研院生物多樣性中心的馬堪津研究員合作,發現紅火蟻在低於 -17°C 的環境會完全死亡;陳洋元同時也委由中研院物理所精工室的技師,打造在紅火蟻巢灌注液態氮的金屬管路。試驗結果發現,撲滅成效可完全根除蟻巢內的紅火蟻群與蟻后,也毫無任何汙染與副作用。

利用液態氮冷凍紅火蟻蟻巢。
圖片來源│陳洋元提供 圖說重製│張語辰

除了進一步技轉、推廣液態氮防治技術,陳洋元也研究如何有效定位紅火蟻蟻巢的位置。團隊曾利用軍用級紅外線偵測儀,企圖偵測紅火蟻蟻巢的溫度來定位,原本想法是蟻巢的溫度可能高於一般土壤,但實際上因為蟻巢通風良好、溫度反而較低。由於紅外線偵測儀不易偵測出剛形成的較小蟻巢,陳洋元因而進一步開發更有效的「紅火蟻偵測犬」。

陳洋元後續將紅火蟻屍體樣本寄至屏科大與祁偉廉獸醫師合作,訓練出能有效定位紅火蟻位置的偵測犬。偵測犬搭配液態氮與其他防治工法,近年來持續套用到大學校園、桃園機場、松山機場、淡水輕軌、台北花博等地的紅火蟻防治,以免紅火蟻破壞重要的電線或飛航線路,並需搭配定期觀測追蹤。近年來,日韓等國也因有紅火蟻防治的需求,而尋求陳洋元團隊的技術協助。

自製低溫比熱系統,探究低溫世界

無論是冰凍工法、液態氮防治紅火蟻,這些應用都是基於對「低溫物理」的成熟了解。但時間回溯到更早之前,最初發展低溫物理的科學家,其實有他們好奇、想探究的現象。

例如,今日對於低溫超導體的興盛研究,肇始於 1911 年時,荷蘭科學家海克.卡末林.昂內斯 (Heike Kamerlingh Onnes) 發現水銀在溫度 4.2K 時,電阻會完全消失、成為超導體。伴隨著低溫環境與低溫技術的出現,科學家開始發現在低溫狀態中,物質的特性有了超乎預期的現象。

從材料研究的觀點來看,微觀尺度的物質世界,其實就是原子與電子的交互作用。物質藉由不同的原子組成、排列,決定了物質的特性;藉由原子的震動,呈現出熱的現象;藉由電子的流動,則呈現出了電流。

伴隨量子力學的發展,物理學家利用「聲子」的概念,來理解原子的排列與震動,在過去七十年來,已累積了大量理論與實驗的成果,而造就了今日科學對晶體的理解。然而,對於「電子」性質的理解,卻因為聲子振動時的現象,會掩蓋電子的物理現象,使得對電子的研究明顯晚於聲子的研究進展。直到低溫技術的出現與變革:低溫環境不斷地改善、不斷地下探人類能創造的最低溫。

在低溫環境中,聲子如同結凍般,大幅減少了聲子振動所帶來的影響,而使得電子的特性,終於能開始被觀察研究。

1980 年代,正值低溫物理發展的高峰。1989 年,陳洋元從加州大學回到中研院物理所,建立了奈米材料與低溫物理實驗室,開始積極發展低溫技術。環顧當時臺灣沒有一台自製的比熱儀,而比熱的量測在凝態物理研究中是相當重要的元素,可以提供聲子、電子、磁性、相變等訊息,像是比熱對於超導材料的研究便不可或缺。

因此陳洋元決定發展臺灣自己的低溫比熱系統,此系統最關鍵的就是量測晶片、電子系統、與電腦程式。

陳洋元自行開發的低溫比熱系統。
圖片來源│陳洋元提供

2010 年開發的第五代比熱量測晶片,Ni-Cr 與 RuO2 薄膜由無塵室半導體製程完成。晶片由四條金線懸於真空中,與控溫之銅座相連接。
圖片來源│陳洋元提供

比熱量測晶片,中間的銀色方塊為樣品(重量約 1~15 mg)。
圖片來源│陳洋元提供

如上方的圖片所示,量測晶片上有加熱與溫度感測薄膜,懸吊於真空中,利用加熱、放熱時產生的溫度變化,可於溫度 0.3-300K、高壓、磁場的環境下,測量微小樣品的比熱,例如二鋁化鈰 (CeAl2) 在奈米尺寸會呈現與塊材不同的比熱。過去 30 多年運用此低溫比熱系統發表之論文含 Physical Review Letters (PRL)、Physical Review B (PRB)、Applied Physics Letters (APL) 等計 70 餘篇。

比熱量測案例:二鋁化鈰 (CeAl2) 80 nm 奈米樣品的低溫比熱與塊材截然不同,凸顯了奈米科技的獨特性。
圖片來源│陳洋元提供,取自 Size Dependence of Heavy Fermion Behavior in CeAl2

設置「稀冷機」,讓低溫更低溫

進行低溫物理研究時,若單純只使用液態氦,會受限於液態氦的沸點,難以繼續降至更低的溫度。對此,中研院於 1995-1996 年間,設置了臺灣第一台稀釋致冷機 (dilution refrigerator),利用不同比例 4He 與 3He 的蒸發,最終能達到 0.035K 的超低溫度。

我們可以簡單想像,在單純熱交換的世界中,例如將冰水與溫水混合,所能得到的最低溫,一定會高於冰水的溫度。因此,若無法取得比 4He 與 3He 沸點更低的物質,則實驗環境勢必無法低於 4He 與 3He 的沸點溫度。

因此,科學家運用「蒸氣壓」能影響「沸點」的特性,來取得更低的溫度。就像在高山上,氣壓較低時,水的沸點也會降低、而更容易煮沸。若將 4He 與 3He 置於更低表面蒸氣壓的環境中,則可以使兩者的沸點分別降至 1.5K 與 0.3K。

稀冷機,則更進一步運用物質在「相轉變」時,會帶走熱量的特性來降溫。

如下圖所示,稀冷機中的混合室 (mixing chamber)內有兩種由不同比例 4He 與 3He 所組成的液態相,形成相界 (phase boundary)明顯的兩相分離。混合室中 4He 較多、 3He 較少的部分,以管路連接一以 4He 為主的混合物容器 (still) ,當對 still 抽氣時,會使混合室中的 3He,先從 3He 較多的液相,跨越第一個相界至 3He 較少的液相,再跨越第二個相界至 still。

  1. mixing chamber 中有兩個不同 3HE 和 4HE 組成的液態相。
  2. 當對 still 抽氣時,mixing chamber 中濃相區(深藍色區塊)的 3HE 會被抽走,下層中稀相區(淺藍色區塊)中的 3HE 會穿越過兩相間的界面,補充上層濃相區被抽走的 3HE,此種類似蒸發的作用會帶走熱量。
  3. 3HE 再穿越至 still 區蒸發、將熱量帶走,而能降低溫度。

稀冷機的裝置示意圖。 資料來源│陳洋元 圖說重製│廖英凱、張語辰

兩次相界的跨越,就如同兩次蒸發帶走熱量一般,可使混合室的溫度降低至 10-3K 的溫度狀態。以此技術,目前的世界紀錄,更可達到 10-12K 的程度。

陳洋元笑稱,當年由於稀冷機技術相對複雜而多數學校無法設置,中研院的稀冷機與良好的低溫環境,就像是一個創造了一個「dilution 俱樂部」,吸引了許多低溫物理的人才來此研究。

不過,雖然可利用液態氦來達到低溫,但液態氦無法人工合成、所費不貲,是低溫研究的重大花費。因此,陳洋元在中研院物理所旁,建立了「氦氣液化系統」,此系統能回收物理所實驗室本來排放到大氣中的氦氣,並重新壓縮降溫與液化,從而回收氦氣循環使用,節省資源並降低研究花費。

氦氣液化系統:從物理所回收的氦氣,會先儲存在上方的氣球,再壓縮分裝到鋼瓶中儲存備用。
攝影│廖英凱 圖說重製│張語辰

氦液化機室:回收的氦氣,經過這台機器液化後,再次用於物理所的低溫實驗。
攝影│廖英凱 圖說重製│張語辰

這幾間實驗室啊,還有隔壁的那兩間工廠……是當年我規畫蓋出來的啊

走在中研院物理所建物之間,陳洋元悠悠地這麼說。從低溫儀器的開發,到低溫物理的基礎研究;從實驗室裡的學術環境,到工地與蟲害的實際應用,陳洋元是少數投入如此廣泛與多樣領域的研究者。

回顧過往,這也許和陳洋元與團隊從 1989 年開始,長期耕耘中研院物理所的基礎建設有關,包含建立氦氣液化系統,協助建立精工室、以及位於物理所地下室的磁性實驗室和 X 光實驗室。

如同基礎研究之於整體學術發展的重要,基礎研究環境的興建與營運,可以帶來前端研究的成果;而立於基礎知識之上,我們更能發現複雜生活問題的解決方法。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位


泛科學院精選線上課程:科學思辨力

無論是自然環境或是社會體制,地球正在發生的改變難以預測是好是壞,但是我們可以確定,每個人都需要 科學思辨力 以迎接來得又快又猛的新時代🧠


泛科學院精選實體課程:兒童冬令營

報名泛科冬令營,幫孩子預約一個充滿科學和歡樂的寒假,從此愛上知識與學習!📚

關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。
網頁:研之有物
臉書:研之有物@Facebook

網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策