物理

超導體〈Superconductor〉應用〈Applications〉

超導體(Superconductor)應用(Applications)
國立台南第一高級中學二年級侯岳岑/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

超導體磁鐵Superconducting magnets是我們所知道最強而有力的電磁鐵,他們用於磁浮列車、核磁共振影像(MRI)、核磁共振(NMR)的機器以及用於粒子加速器作為操縱粒子束的射線指點(beam-steeming)磁鐵。他們亦可以被應用在顏料產業從事磁性分離:從較少(甚至沒有)磁性的微粒背景中萃取弱磁顆粒。

超導體也可以製造數位電路板(根據the Rapid Single Flux Quantum技術)以及製造手機基地台的無線電波(RF)過濾器和微波過濾器。

可以利用超導體建立約瑟夫遜接面Josephson junctions亦即SQUIDs(超導體量子干涉設備superconducting quantum interference devices)的基礎材料,也是我們所知道最靈敏的磁力儀。一連串的約瑟夫遜設備可作為定義SI制的伏特,根據特殊的運作方式,約瑟夫遜接面也可做為光 子探測器或看成是混頻管(電子管)。

麥士納效應 〈Meissner Effect〉

麥士納效應 (Meissner Effect)
國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

將超導體放置在微弱的外界磁場中,該磁場僅能穿透超導體內部些許距離,很快地就遞減為零,該距離稱為London penetration depth。該現象又稱為Meissner effect,這是超導體的獨特性質。對大部分的超導體而言,London penetration depth大約是100nm的數量級。

Meissner effect常常和反磁性的觀念混淆。根據冷次定律,如果對導體施加隨時間改變的外界磁場,在導體內會產生感應電流,感應電流產生的感應磁場會和外界磁場的變化方向相反。若是完美的導體,則感應電流可以是任意值,而且感應磁場會完全抵銷外界的磁場。

液晶的應用 〈Applications of Liquid Crystals〉

液晶的應用(Applications of Liquid Crystals)
國立台南第一高級中學二年級陳立倫/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

液晶在液晶顯示器crystal displays有廣泛的用途,液晶顯示器的原理是依據液晶在電場出現或消失時光學性質的改變。一般典型的裝置中,一層液晶(約10微米厚)放置在兩個互相垂直的偏振片間。液晶排列成自由態的是雙絞型的(原因:雙絞向列場效應)。液晶的雙絞態可以重現已通過第一片偏振片的光,使光可以傳透到第二片偏振片(在有反射器提供的狀況下光會反射回觀察者)。該裝置因此呈透明。外加一電場於液晶層,液晶的長分子軸有平行於電場排列的傾向,因此液晶層中心逐漸不旋轉。在這種狀態下,液晶並不感應光,在第一片偏振片被偏振的光被第二片偏振片吸收。該裝置也隨著電壓的升高失去了他的透明度。如此一來,電場可被用來控制 一個像素,使之呈透明或不透明。彩色LCD是用同一種技術,再用濾光器產生紅、綠、藍的像素。可用相似的法則製造多種液晶型的光學裝置。

液晶〈Liquid Crystal〉

液晶(Liquid Crystal)
國立台南第一高級中學二年級侯岳岑/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師修改/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

液晶是一種相態介於液體相與固體晶體之間的物質。舉例來說,液晶會向液體一樣流動,但卻有晶體般有序排列oriented in a crystal-like way的分子結構。以液晶的光學性能分類(例如”雙折射birefringence”),液晶被區分為許多不同的類型。當我們用顯微鏡觀看液晶,若使用偏 振光源照射液晶時,不同的液晶類型會出現截然不同的紋路。每一”塊”紋路對應不同排列方向的液晶分子群。然而,同依群的分子排列的整齊。液晶材料並不是永 遠都停留在液晶態(就像水不會一直都是液體,有時候也會變成固體或是氣體)液晶可區分為thermotropic和lyotropic兩種類型。當thermotropic液晶的溫度改變時,會發生相變,從一種相態便為液晶態。

奈米-從簡單到複雜: 一個微觀的角度 〈Simple to Complex: A Molecular Perspective〉

奈米-從簡單到複雜: 一個微觀的角度 (Simple to Complex: A Molecular Perspective)
國立台南第一高級中學一年級林亭佑/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

現代的合成化學技術水準已到達可以製造結構很小的分子。現今可以使用這些方法今天去製造各式各樣實用的化學製品,例如:配藥或商業用的聚合物。這樣的功能使我們更進一步思索是否可將這樣的方法擴張到下一個層級,也就是將這些單一的分子加工並且組織成結構整齊的多分子材料。

奈米材料〈Nanomaterial〉的應用〈Applications

奈米材料(Nanomaterial)的應用(Applications)
國立台南第一高級中學一年級林亭佑/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

Project on Emerging Nanotechnologies (PEN),一個專門蒐集和整理奈米科技相關產品的資料庫,於2008年4月24日聲明有超過609件奈米產品存在,而且每週約有3~4件的新產品出現。所有的產品接收錄於PEN的資料庫 http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/。大部分的奈米科技應用僅限於第一代的被動奈米材料,包括含有二氧化鈦的防曬劑,化妝品和一些食品;碳的同素異形體用於磁帶的生產;銀被應用在食品包裝,服飾,殺菌劑和家用品;氧化應用鋅在防曬劑化妝用品,表面塗層,油漆和室外傢具亮光漆中;鈰的氧化物作為燃料催化劑。

奈米材料 〈Nanomaterials〉

奈米材料 (Nanomaterials)
國立台南第一高級中學一年級黃冠閔/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

奈米材料學包括開發或研究在奈米級會出現獨特現象的材料
1. 界面和膠體科學研發出了多種能運用在奈米工程上的材料,例如,奈米碳管及其他種的富勒烯,各種奈米微粒和奈米桿。
2. 奈米級的材料有多種用途; 大多數的現代奈米科技商務應用都以此為基礎。
3. 奈米材料的醫療應用也有相當的進展。

奈米材料由小到大之作法
將較微小的物質組成較複雜的構造

1.DNA奈米技術運用Watson-Crick鹼基配對的特性以製造由DNA和其他核酸組成的構造。
2.傳統化工合成的方法也以設計有明確形狀的分子為目的,例如雙肽鍵。
3.分子自組裝(Molecular self-assembly)利用超分子化學及分子辨識的概念,使得單分子自動排列成有用的型態。

奈米之由〈Larger to Smaller: A Material’s Perspective〉

奈米之由(Larger to Smaller: A Material’s Perspective)
國立台南第一高級中學一年級林晉名/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

有數種物理現象在整個系統的尺寸縮小時變得更顯著。包含了統計力學的效應,和量子力學效應,例如”量子尺度效應”固體的電子特性會因尺寸大幅度的縮小而改變。這個效應在物質由毫米級到微米級不會很顯著,但若縮小到到了奈米級的尺寸,廖子尺度效應就會出現。另外,和巨觀系統相比較有數種物理性質例如力學,電學,光學,等也產生了變化。其中一個例子就是增加材料的表面積對體積的比值,改比值會改變力學,熱學和催化等作用。奈米系統的不尋常的力學性質在奈米力學的研究上引起相當的興趣。但是奈米物質的催化性和生化物質之間的反應會有可能見有的風險。

生物液晶〈Biological Liquid Crystals〉

生物液晶(Biological Liquid Crystals)
國立台南第一高級中學二年級陳立倫/國立台南第一高級中學物理科王俊乃老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

在生物系統存在豐富的液向型液晶相 (Lyotropic liquid-crystalline phases),相關研究可參考 polymorphism。因此,液向型液晶在仿生化學領域中,特別引起注意。尤其,生物膜和細胞膜就是液晶的形式。因為分子(例如:磷脂 phospholipids)垂直於膜表面,而且膜可承受某一範圍內的彈性壓力,所以表現出某一些方向有彈性。這些脂質有不同的形狀(詳參<脂質多樣性 lipid polymorphism>)。分子可以輕易地混合,但不易脫離膜,因為需要很高的能量。脂質分子可以在膜與膜之間彈跳,此過程被flippase和floppase催化(與移動的方向有關)。這些液晶膜相也可以讓像感受體的重要蛋白質自由地部分在內部、或部分在外部的膜上”漂浮”,例如CCT。

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