【人物專訪】讓材料「活」起來:以材料分析看見微觀世界——專訪楊哲人教授

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12/09(六)楊哲人教授主講:「材料科學觀點:探索晶體之開發與應用」

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臺大材料科學與工程學系 楊哲人 特聘教授|來源:講師提供

採訪、撰文|阮芳郁

審定|楊哲人 教授

有過成大、清大、臺大與英國劍橋經驗的楊哲人,帶著對材料科學的熱情,研究所畢業後,曾任教於臺灣科技大學(當時名為臺灣工業技術學院),二年後考取公費留學,赴英國劍橋攻讀博士學位。在精進教學研究的過程中,發現自己對材料科學中的「材料分析」最感興趣,更體認唯有持續鑽研,方能突破既有研究,更上層樓。

 

以微觀看見世界:什麼是晶體?

說到材料科學,大致可分為金屬、陶瓷、半導體材料、高分子材料四大領域,而材料分析便是觀察不同材料內部的原子排列狀況,其中「金屬、陶瓷、半導體材料」的原子多為規律排列,因此被稱為「晶體 (Crystal)」,研究者多藉由電子顯微鏡產生的電子繞射圖,看見原子規律排列的圖樣,在圖樣不斷堆疊、累積之下,便能依此進行物像分析、測定原子位置、推定原子最密堆積。向下深入分析材料性質、向外推算原子的排列結構,如此豐富的研究範疇之下,也無怪楊哲人醉心且投入材料科學的奧妙微觀世界之中。

值得注意的是,儘管原子排列整齊,看似能夠達到最密堆積,事實上「晶體有缺陷」才是晶體的常態,再規律整齊的晶體,都有可能有所缺陷。「是以,掌握晶體內部的缺陷,就是掌握良率的關鍵」,楊哲人說道,而這亦必須仰賴電子顯微鏡的觀測,方能確知晶體缺陷的方位與狀況。

 

材料科學的新紀元:電子顯微鏡的應用

臺灣第一位關注材料科學的學者,是臺灣大學第二任校長陸志鴻(任期:1946年8月至1948年5月),陸校長在任期內購買了臺大第一臺電子顯微鏡,也是全臺的首臺。「利用電子顯微鏡,我們可以看到材料的晶體,從中分析材料的性質與結構關係」,楊哲人強調電子顯微鏡對材料科學研究的重要意義,沒有它,研究者難以看見晶體的結構與排列方式,更無法看見晶體的缺陷,如此一來,就難以根據晶體的條件,找到它的最適使用方式。「你要開發更好的材料,必須瞭解它的結構,所以我目前關心的就是『怎樣控制晶體』」,楊哲人藉由自身關懷,再呼應設備儀器之於材料科學研究的重要性。

此外,楊哲人分享截至目前臺大在研究需求下,自陸校長首開先例,陸續購買了三臺世界級的電子顯微鏡,「目前最新的這一臺,主要是用來看埃米等級的原子排列」。在實驗室裡,楊哲人分享顯微鏡拍攝後的電子繞射圖,忍不住頻繁驚嘆:「這原子排列得真漂亮!」反覆讚嘆電子顯微鏡的拍攝成果。照片中緊密嵌合的晶體,經由助理們協助上色,將不同方位的晶體填入不同顏色,以利研究團隊的判讀,故最後呈現出來的攝像圖往往充滿不同色塊。「助理們每天這樣上色,有時也像小時候我們著色一樣」,在需要大量耐心與細心的工作之下,研究團隊也從中發現意想不到的樂趣。

 

從過去到現在、從軍事到民生:無所不在的材料科學

那麼,走出實驗室,材料科學這門微觀的專業,與我們的日常生活有什麼關聯呢?事實上,材料科學就在我們的生活之中。楊哲人提到,舉凡交通工具、盛裝容器、電冰箱等,食衣住行等民生工業都仰賴材料科學的研究,藉由使用合適的材料,促進人們的生活便利。此外,軍事工業更是需要材料科學的專業投入,楊哲人以國防部的戰車開發為例:「戰車需要抗穿甲彈的材質,我們要研究的是,提供一種『被子彈撞擊時,可以吸收這個能量,而不讓子彈穿過去』的材料。」楊哲人提到,如以金屬為材料,恐因穿甲彈的高溫高熱使金屬融化,但是「陶瓷足以克服這個問題」,而這便是仰賴對於原子排列結構的充分認識所得出的答案。這一陶瓷即是平時使用的馬桶的材質——合成陶瓷,由此足見材料科學確實以不同的形式,遍布在我們的生活之中。

有趣的是,除了當代的生活實例,歷史上也曾有材料科學的活用之例:十一世紀的十字軍東征,為什麼強盛的拜占庭帝國,會輸給大馬士革的土耳其人呢?那是因為土耳其人製造的大馬士革刀,掌握了材料的關鍵特性,使之發揮最大力量。這一厲害的武器使歐洲人嚇了一跳,「現在的英國博物館中,還留有當時的大馬士革刀與相關檔案」。雖然當時的土耳其人沒有電子顯微鏡以觀測晶體,卻透過代代傳承,保留並延續對材料特性的掌握與製作武器的技藝。「用今天材料科學的角度,也做得出大馬士革刀。只是當時他們不知道這個叫做『原子排列』。」楊哲人補充到。大馬士革刀之例,呈現出材料科學在知識系統化後,仍具有還原歷史與展望未來的能力。

 

讓材料「活」起來:以溫度改變晶體結構

楊哲人手指著皮膚,以「皮膚」這種材料來解釋:「材料裡有很多細微的結構,而且材料是活的,溫度可以改變晶體,也能讓晶體從內部長出新的晶體。藉由溫度,我們可以改變材料的狀態。所以你看,材料不是活的嗎?」透過這樣的解釋,便不難理解讓材料「活」起來的方法:首先藉由電子顯微鏡瞭解材料的原子排列順序與缺陷狀況,再透過控制溫度,改變晶體結構,便能有效提高預期產品的良率。

唯有不斷深入、不放棄理解微觀世界奧祕的熱忱,才能讓材料在充分條件下「活」起來,也方能更透徹地感知到生活中無所不在的材料科學。

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