91猫先生

微奈米接触及其应用

機械系 吳俊仲副教授

　　「磨润学」是一门研究两个接触表面之间各种现象的学问，亦是跨领域的学问，其跨物理、化学、机械、电机、材料、化工等学科。在机械工程中，磨润学的研究范围包括：接触、摩擦、润滑、磨耗等，应用的领域很广泛，例如：引擎的磨耗、润滑系统，轴承的润滑等等，不胜枚举。「磨润学」的应用预估可為工业界省下百分之一的成本。

　　随着微奈米时代的来临，磨润学也跨足微奈米的研究，「微奈米接触」就是其中的一部份。在巨观的接触，通常使用弹性力学、塑性力学的理论。但是在微奈米接触，则考虑了分子之间的凡得瓦力、斥力、静电力、表面张力，所以在数学分析上变得更复杂。

　　「微奈米接觸」的分析方法有四種，第一種是使用巨觀的連續力學理論推導，就是在巨觀的連續力學中，加上吸引力項，並做一些簡化的假設，推導出來的接觸模型，如：在1970年代，英國劍橋大學的三名教授 Johnson、Kendall、Robert 推導出來的 JKR 模型，適用於吸引力很大、較軟物體的接觸；前蘇聯科學院的三名教授 Derjaguin、Muller、Toporov 則推導出 DMT 模型，適用於吸引力較小，較硬物體的接觸。在1990年代，法國的一位學者 Maugis，推導出了另一個模型，適用於兩者之間的物體。第二種是數值分析，在1980年代，發明 DMT 模型的三名學者就提出這種方法，使用 Lennard-Jones potential，利用數值分析的方法來求解，但是直到2000年，Xerox 公司的一位學者 Feng，才提出完整的解法。第三種是有限元素法，過去有許多學者也作過這方面的嘗試， 直到2007年，柏克萊加州大學的 Sauer 與 Li 才提出較完整的理論分析，可以用有限元素法模擬微奈米接觸。第四種是分子動力學法，模擬每個分子之間力量與分子運動，應用到奈米接觸力學，這是最近使用最廣的模擬方法，不過這個方法需要大量的電腦計算，甚至需要平行處理，因此有它的極限。

　　在實驗方面，量測「微奈米接觸」的儀器主要有幾項：一是掃瞄式穿隧電子顯微鏡 ( Scanning Tunnel Microscope，簡稱STM )，不過 STM 只能量測半導體或導體的表面。二是原子力顯微鏡 ( Atomic Force Microscope，簡稱 AFM )，這是1985年 IBM 公司與史丹福大學所發明，利用探針針尖與欲量測表面之凡得瓦力的強弱，再利用雷射光的反射得知表面的起伏，任何表面均可。三是表面力儀 ( Surface Force Apparatus，簡稱 SFA )，最早是 Israelachvili 與 Adams 兩位學者所設計，後來經過很多改進，可直接量測分子之間的凡得瓦力。四是奈米壓痕器 ( nano-indentator )，用奈米級的探針對表面作壓痕試驗，以求得表面奈米級的材料特性。最近還有其他儀器出現，例如：摩擦力顯微鏡 ( FFM )、靜電力顯微鏡 ( EFM) 等等，不過還是前四種儀器被廣泛使用。

　　微奈米接觸有很多與巨觀接觸不同的現象。例如：當原子力顯微鏡的探針，慢慢接近量測奈米表面時，探針會有跳接觸 ( jump into contact ) 的現象；而探針從接觸的表面慢慢離開時，有跳脫離 ( jump off contact ) 的現象。這是因為當探針接近表面時，吸引力的梯度大於探針的彈性係數所造成。在摩擦力的研究上，巨觀的摩擦係數與正向力無關，但是在微奈米的研究上發現，摩擦係數與正向力有關。

　　微奈米級的物體，凡是有接觸或表面相對運動的，都是「微奈米接觸」應用範圍。在微機電系統與奈米科技中，不少地方需要應用微奈米接觸力學。例如：微機構中的微齒輪，在運轉時，齒輪與齒輪間的接觸、摩擦現象，就必須應用微奈米接觸的理論。又例如：硬碟機的讀寫頭，在啟動時也會與磁區有接觸現象，這也必須應用微奈米接觸的理論 ，其它如：半導體製程、鍍膜表面的接觸，都與微奈米接觸有關。 生物醫學工程也是一個需要應用微奈米接觸的領域，例如：研究細胞接觸力，蛋白質、DNA接觸力，製藥的藥粉之間的吸引力，人工關節等等。

　　最近有一項很熱門的研究，是關於壁虎吸附力的研究。以前對於壁虎的吸附力有很多種假設，例如：像吸盤的真空吸引力、黏液、毛細管作用力、凡得瓦力等。然而，最近的研究發現：壁虎的每根腳趾有50萬根細毛，每根細毛有數百根纖維，每根纖維的吸引力就是如同前述「微奈米接觸力學」中的 JKR 模型的凡得瓦吸引力，因此，壁虎的每隻腳有100牛頓的吸引力，相較於壁虎的重量，這樣的力量是相當驚人的。由於壁虎的靈感，有些學者就彷壁虎腳上的纖維，研發出人造剛毛，可以有壁虎般的吸引力。

　　随着奈米科技的进步，未来微奈米接触的研究，将朝着复杂的几何形状、材料特性做研究，可以做更广泛的应用。