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微磁性粒子於彷生工程應用研究
(2013)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
微磁性粒子於彷生工程應用研究
(2014)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
微磁性粒子於彷生工程應用研究
(2015)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
由於磁性粒子在微機電系統(MEMS)及生物醫學之領域具有潛在應用價值，於近年來旋轉磁場下之操控機制及力學探討，已有廣泛的研究。而粒子串在擺動磁場下之研究，亦可很簡易地的應用到微機電系統或生物晶片等領域。其中一項具體之應用為在微小的流道中加上外加磁場，粒子因此受磁化作用而串接成鏈條狀，若粒子受到外加的擺動磁場時，液體中的粒子串也回隨著磁場的方向改變而進行擺動的運動型態。此類簡易型微粒子串比起利用DNA 串接磁性粒子串具有更簡易製作、成本低廉且粒子重覆使用性之優點。此類利用磁場操控之微粒子串，可被用於進行多種類之仿生機構或生物醫學相關研究，除較廣為人知之微游泳器外，亦可應用於仿生磁感細菌（magnetotactic bacteria 或簡稱 MTB）及人造微纖毛(Cilia)。磁感細菌為生活在水中以及水底爛泥裡之微生物，這些細菌體內有一串約大小在35~120 奈米之磁性晶體形成的鏈狀構造，構成了一微型羅盤，以做為運動時定位方向之用，磁感細菌於1975 年為論文報導以來，即廣受生物界研究，包含以生物及生態觀點之研究、生醫應用研究以及工程應用研究。另一方面，纖毛(Cilia)為附著於微生物或組織表面之似微毛髮般之微細結構，其直徑約為1 微米，長度則介於5 至50 微米間。纖毛之拍動可提供微生物或組織推動力與攫取所須養份。人造仿生微纖毛研究除其對生物組織之價值外，亦具有於Lab-on-a-chip 系統中做為致動器與混合器之應用。本研究計畫預計以3 年期時程，應用前期之[磁性粒子操控之力學探討與於微奈米系統之應用]計畫發展成果，進行更深入及廣泛之探討。研究目的為應用所謂智慧型之磁性粒子串結構，施以外加動態磁場加以操控，針對3 大類型之生物組織(游泳生物、磁感細菌及纖毛)進行仿生運動研究。同時為有效瞭解粒子運動過程及串接型態受磁牽引力、流體阻力之影響，將改良前期之校簡單之模擬方式，套用進階商用軟體Fluent 之流固偶合(Fluid-Solid Interaction, FSI)模組，加以使用者定義功能(User Defined Function, UDF)，進行流固偶合流場模擬，以期可提供詳盡之阻力分佈與仿生運動體之可能型變狀態，達到有效操控仿生運動體所須之必要資訊。
發展一同時適用於可互溶與不可互溶界面之擴散界面數值方法及其於二氧化碳封存之應用與模擬
(2012)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
多相流流場是比一般流體力學相對複雜許多的物理現象，其包含流體與流體間的分子力學運動。在多相流流場中不考慮化學反應情況下，大致上可依照流體間界面的情況分為兩種：可互溶與不可互溶之流體。在研究多相流流場中，流體界面應力均僅考慮於不可互溶間產生之表面張力，而若二流體為可互溶，則視為無應力存在。而不可互溶之流體研究中，流體界面為狹小的界面(sharp interface)，這種物理現象在數值模擬上會造成流體分布在某個區間產生如步階函數一樣的變化而造成數值發散。1958 年Cahn and Hilliard 兩位學者由分子凡得瓦力理論，提出兩種流體界面能量(表面自由能)之觀點，並發展成一套利用相場(phase field)分佈而形成之[擴散界面](diffuse-interface)，同時並可來描述流體間界面運動之方程式。若應用此一概念，並擇取適合之界面能量函數，則將可同時適用於可互溶與不可互溶之流體之界面分析。同時為因應大氣中溫室氣體(二氧化碳、甲烷及氫氟碳化物等)的濃度急遽上升，二氧化碳封存技術亦為現今研究之重要課題。二氧化碳封存技術可大致區分為注入與封存兩個部分。在整個注入過程中可視為流體流過一多孔隙材質之不可互溶流場。而當封存在地下鹽水層後，二氧化碳會開始由超臨界狀態回復到一般狀態時而開始滲透(溶解)於地下鹽水層中。故而分析注入之不可互溶流場與封存後二氧化碳溶解之可互溶流場情況，便成了能源研究的重點之一。本計畫為全期三年之計畫，重點在於完成一套可模擬在可互溶與不可互溶之流體的兩相流流場之擴散界面數值方法，並應用此數值方法於多孔隙流場之二氧化碳封存技術。其主要執行內容如下：第一年期計畫之研究重點首先為發展針對多相流流場在多孔性材質(或Hele-Shaw cell)之界面擴散法流場數值模擬程式，並分別在流體為可互溶與不可互溶的情況下與先前或同時進行之實驗研究成果進行比對，充分驗證數值模擬程式之正確性。第二年期計畫則針對二氧化碳在注入與封存兩個不同過程中的物理現象進行模擬，並分析在各種不同的流場環境下(包含不可互溶之超臨界二氧化碳注入過程及與鹽水互溶之二氧化碳穩定性分析)於不同擴散效應、黏滯效應與孔隙滲透率下，對封存過程與後續二氧化碳穩定性之影響。第三年期計畫將利用平行運算技術來提高程式計算效率，試圖將物理模型拓展至三維流場，以比較二維與三維流場現象差異。
發展一同時適用於可互溶與不可互溶界面之擴散界面數值方法及其於二氧化碳封存之應用與模擬
(2014)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
多相流流場是比一般流體力學相對複雜許多的物理現象，其包含流體與流體間的分子力學運動。在多相流流場中不考慮化學反應情況下，大致上可依照流體間界面的情況分為兩種：可互溶與不可互溶之流體。在研究多相流流場中，流體界面應力均僅考慮於不可互溶間產生之表面張力，而若二流體為可互溶，則視為無應力存在。而不可互溶之流體研究中，流體界面為狹小的界面(sharp interface)，這種物理現象在數值模擬上會造成流體分布在某個區間產生如步階函數一樣的變化而造成數值發散。1958 年Cahn and Hilliard 兩位學者由分子凡得瓦力理論，提出兩種流體界面能量(表面自由能)之觀點，並發展成一套利用相場(phase field)分佈而形成之[擴散界面](diffuse-interface)，同時並可來描述流體間界面運動之方程式。若應用此一概念，並擇取適合之界面能量函數，則將可同時適用於可互溶與不可互溶之流體之界面分析。同時為因應大氣中溫室氣體(二氧化碳、甲烷及氫氟碳化物等)的濃度急遽上升，二氧化碳封存技術亦為現今研究之重要課題。二氧化碳封存技術可大致區分為注入與封存兩個部分。在整個注入過程中可視為流體流過一多孔隙材質之不可互溶流場。而當封存在地下鹽水層後，二氧化碳會開始由超臨界狀態回復到一般狀態時而開始滲透(溶解)於地下鹽水層中。故而分析注入之不可互溶流場與封存後二氧化碳溶解之可互溶流場情況，便成了能源研究的重點之一。本計畫為全期三年之計畫，重點在於完成一套可模擬在可互溶與不可互溶之流體的兩相流流場之擴散界面數值方法，並應用此數值方法於多孔隙流場之二氧化碳封存技術。其主要執行內容如下：第一年期計畫之研究重點首先為發展針對多相流流場在多孔性材質(或Hele-Shaw cell)之界面擴散法流場數值模擬程式，並分別在流體為可互溶與不可互溶的情況下與先前或同時進行之實驗研究成果進行比對，充分驗證數值模擬程式之正確性。第二年期計畫則針對二氧化碳在注入與封存兩個不同過程中的物理現象進行模擬，並分析在各種不同的流場環境下(包含不可互溶之超臨界二氧化碳注入過程及與鹽水互溶之二氧化碳穩定性分析)於不同擴散效應、黏滯效應與孔隙滲透率下，對封存過程與後續二氧化碳穩定性之影響。第三年期計畫將利用平行運算技術來提高程式計算效率，試圖將物理模型拓展至三維流場，以比較二維與三維流場現象差異。
發展一同時適用於可互溶與不可互溶界面之擴散界面數值方法及其於二氧化碳封存之應用與模擬
(2013)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
多相流流場是比一般流體力學相對複雜許多的物理現象，其包含流體與流體間的分子力學運動。在多相流流場中不考慮化學反應情況下，大致上可依照流體間界面的情況分為兩種：可互溶與不可互溶之流體。在研究多相流流場中，流體界面應力均僅考慮於不可互溶間產生之表面張力，而若二流體為可互溶，則視為無應力存在。而不可互溶之流體研究中，流體界面為狹小的界面(sharp interface)，這種物理現象在數值模擬上會造成流體分布在某個區間產生如步階函數一樣的變化而造成數值發散。1958 年Cahn and Hilliard 兩位學者由分子凡得瓦力理論，提出兩種流體界面能量(表面自由能)之觀點，並發展成一套利用相場(phase field)分佈而形成之[擴散界面](diffuse-interface)，同時並可來描述流體間界面運動之方程式。若應用此一概念，並擇取適合之界面能量函數，則將可同時適用於可互溶與不可互溶之流體之界面分析。同時為因應大氣中溫室氣體(二氧化碳、甲烷及氫氟碳化物等)的濃度急遽上升，二氧化碳封存技術亦為現今研究之重要課題。二氧化碳封存技術可大致區分為注入與封存兩個部分。在整個注入過程中可視為流體流過一多孔隙材質之不可互溶流場。而當封存在地下鹽水層後，二氧化碳會開始由超臨界狀態回復到一般狀態時而開始滲透(溶解)於地下鹽水層中。故而分析注入之不可互溶流場與封存後二氧化碳溶解之可互溶流場情況，便成了能源研究的重點之一。本計畫為全期三年之計畫，重點在於完成一套可模擬在可互溶與不可互溶之流體的兩相流流場之擴散界面數值方法，並應用此數值方法於多孔隙流場之二氧化碳封存技術。其主要執行內容如下：第一年期計畫之研究重點首先為發展針對多相流流場在多孔性材質(或Hele-Shaw cell)之界面擴散法流場數值模擬程式，並分別在流體為可互溶與不可互溶的情況下與先前或同時進行之實驗研究成果進行比對，充分驗證數值模擬程式之正確性。第二年期計畫則針對二氧化碳在注入與封存兩個不同過程中的物理現象進行模擬，並分析在各種不同的流場環境下(包含不可互溶之超臨界二氧化碳注入過程及與鹽水互溶之二氧化碳穩定性分析)於不同擴散效應、黏滯效應與孔隙滲透率下，對封存過程與後續二氧化碳穩定性之影響。第三年期計畫將利用平行運算技術來提高程式計算效率，試圖將物理模型拓展至三維流場，以比較二維與三維流場現象差異。
磁性液滴於動態磁場下之自組裝型態與動力學研究
(2015)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
磁性液滴於動態磁場下之自組裝型態與動力學研究
(2016)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
磁性粒子操控之力學探討與於微奈米系統之應用
(2012)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao
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國立交通大學機械工程學系（所）
磁性流體為一種人工製成之智慧型流體，主要結構為於特殊溶劑中加入多數體積質量相等(直徑為微米尺度或者奈米尺度大小)的順磁性固體粒子，由於粒子密度較溶劑大，而當粒子體積較大時(微米尺度)，其受布朗運動的影響較小，因此會產生沉澱的現象。由於粒子為順磁性，利用此特性，可由不同型態之外加磁場以改變粒子在溶劑中的排列狀態以及運動模式，藉此可以運用於先進生物技術或者微奈米之機械系統。在未來之應用上，由於粒子在不同型態的外加磁場之下，可以展現出不同的運動型態，加上粒子為微米或者奈米尺度，因此可應用於微流道之中，其中一項具體之應用為在微小的流道中加上外加磁場，粒子因此受磁化作用而串接成鏈條狀，藉由外加磁場方向以及磁場大小之改變，粒子串可以隨之改變其方向而達到一微流道中開關的作用。此外，若粒子受到外加的旋轉磁場時，液體中的粒子串也回隨著磁場的方向改變而進行旋轉的運動型態，如此可以達到微型混合器的目的，再者若施予粒子一個來回反覆的磁場，則粒子的運動型態就會類似微生物的游動方式，產生一推力向前游動而可達到仿生的效果。有鑑於對微磁性粒子操控技術研究之新穎創新性，於國外雖已有相當之先驅性研究成果，然而於基礎理論模型(如磁性粒子間及與環境溶液間之作用力)，仍尚未有完整之結論，且針對各類新型態操控應用方面(如生醫與微奈米系統)，更是尚有甚大之發展空間，且就提案人所知，於國內尚無有相關之實驗研究，故而更應積極建立國內之相關研究能量。因此本提案計畫預定於三年內完成磁性粒子之運動模式之操控分析，並配合數值模擬來輔助實驗之精確度。首先將設置一套觀測微米尺度粒子之儀器設備以及產生各型式之外加磁場架構以用以進行粒子操控，即可方便實驗進行並記錄磁性粒子之運動軌跡情形加以分析。預定三年內之工作分配如下:於第一年主要進行觀測儀器以及各種不同型式之外加磁場之儀器架設，蒐集相關之方程式，並著手於基本粒子之運動理論分析研究，並進行粒子操控技術研究。第二年則利用第一年之理論分析及觀測且紀錄粒子之簡單運動模式之實驗影片為基礎，來計算出微米粒子受磁力以及流體力學之間交互影響的情形，以期可有效精確進行粒子串之操控。同時本年度之重點將會以甚具挑戰性之微仿生游泳器為研究重點。第三年則將以進行創意導向型之應用研究，研究重點將設計以更複雜之外加磁場型式來進行粒子串之操控，期待可設計出各類型操控模式，有效應用於各類奈微米機電系統。