【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
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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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。