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微磁性液滴薄膜之界面分裂
(2008)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao(Ken)
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國立交通大學機械工程學系(所)
磁性流體為一將強磁性超微粒子經界面活性劑的作用，安定地分散於液體中的一種溶液，容易被磁鐵強力吸引，磁性流體包含了流動和磁性的特性。若將磁性流體置於一平板上而形成一磁性流體層或薄膜，當磁場作用方向與平板垂直時，此垂直磁場會造成一垂直拉力而形成三維之突出物，而此界面不穩定現象即為所謂之 Rosensweig Instability。而其三維之突出物之最終形狀則取決於磁力、重力與表面張力之平衡。就提案主持人所知至今為止，有關 Rosensweig Instability 之研究均僅於較大體積磁性流體層或薄膜，然而仍無對微小量微米級薄膜之研究。此提案計畫研究方向乃基於個人新發現於垂直磁場下，微磁性流體液滴薄膜因Rosensweig Instability 產生之界面分裂及分裂液滴之漂離現象，加以更深入探討。本提案計畫為全期三年之計畫，具體之研究方向與目的則為針對個別參數對微磁性流體液滴薄膜分裂現像影響進行深入之物理機制探討，並進而利用此簡易磁場裝制置，發展出一組可利用 Rosensweig Instability 產生更微小之次磁性流體液滴，且加以分離與收集之裝置。本提案計畫之第一年計劃首先在於完整實驗裝置規劃與架設並進行實驗，同時針對控制參數(如液滴薄膜直徑，磁場大小，磁場增加率，磁化強度大小)影響加以研究，預計研究之液滴薄膜直徑介於 O(100)~O(1000)μm 間，以深入瞭解此一微液滴薄膜分裂現像之物理機制。於充分瞭解微液滴薄膜分裂現像之物理機制後，第二年計劃則針對接觸面之預濕潤狀況進行研究，以瞭解接觸角與表面張力對微液滴薄膜分裂之影響，同時亦詳加研究分裂之次磁性流體液滴漂移現像，以有效加以收集。第三年計劃則嘗試將此一微液滴薄膜分裂現象作一理論性定量研究，藉由完整分析主要影響之能量場(磁力、重力與表面張力) ，導求出相觀關之無因次物理參數值。
微磁性液滴薄膜之界面分裂
(2007)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao(Ken)
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國立交通大學機械工程學系(所)
磁性流體為一將強磁性超微粒子經界面活性劑的作用，安定地分散於液體中的一種溶液，容易被磁鐵強力吸引，磁性流體包含了流動和磁性的特性。若將磁性流體置於一平板上而形成一磁性流體層或薄膜，當磁場作用方向與平板垂直時，此垂直磁場會造成一垂直拉力而形成三維之突出物，而此界面不穩定現象即為所謂之 Rosensweig Instability。而其三維之突出物之最終形狀則取決於磁力、重力與表面張力之平衡。就提案主持人所知至今為止，有關 Rosensweig Instability 之研究均僅於較大體積磁性流體層或薄膜，然而仍無對微小量微米級薄膜之研究。此提案計畫研究方向乃基於個人新發現於垂直磁場下，微磁性流體液滴薄膜因Rosensweig Instability 產生之界面分裂及分裂液滴之漂離現象，加以更深入探討。本提案計畫為全期三年之計畫，具體之研究方向與目的則為針對個別參數對微磁性流體液滴薄膜分裂現像影響進行深入之物理機制探討，並進而利用此簡易磁場裝制置，發展出一組可利用 Rosensweig Instability 產生更微小之次磁性流體液滴，且加以分離與收集之裝置。本提案計畫之第一年計劃首先在於完整實驗裝置規劃與架設並進行實驗，同時針對控制參數(如液滴薄膜直徑，磁場大小，磁場增加率，磁化強度大小)影響加以研究，預計研究之液滴薄膜直徑介於 O(100)~O(1000)μm 間，以深入瞭解此一微液滴薄膜分裂現像之物理機制。於充分瞭解微液滴薄膜分裂現像之物理機制後，第二年計劃則針對接觸面之預濕潤狀況進行研究，以瞭解接觸角與表面張力對微液滴薄膜分裂之影響，同時亦詳加研究分裂之次磁性流體液滴漂移現像，以有效加以收集。第三年計劃則嘗試將此一微液滴薄膜分裂現象作一理論性定量研究，藉由完整分析主要影響之能量場(磁力、重力與表面張力) ，導求出相觀關之無因次物理參數值。
磁性奈米粒子穿透薄膜層之傳輸機制研究
(2007)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao(Ken)
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國立交通大學機械工程學系(所)
磁性粒子因其優異之生物相容性，亦已被考慮應用於生物醫學技術上，其方向可約略分為以下二大類: 細胞感受器標靶(Targeting to cell receptor)與精確細胞吸收效果(Targeted cell uptake) 。細胞感受器標靶(Targeting to cell receptor) 乃基於磁性粒子之奈米級尺寸小於典型細胞(~10~100μm) ，且與一般之基因及蛋白質相當，故而可於磁性粒子表面披覆(coating)生物標識器(如抗體及藥物) ，並可利用外部磁場導引至目標組織或細胞區域，而與組織或細胞感受器(cell receptor)結合併附著於細胞表面。利用此一磁性粒子附著細胞表面之技術，則可有效應用於精準釋藥之治療過程或細胞標籤化(cell labeling)應用，而細胞標籤化功能亦可再配合外部磁場進而進行細胞分類。精確細胞吸收效果 (Targeted cell uptake)須要磁性粒子直接進入細胞或組織內，稱之為細胞吸收 (cell uptake) 。此應用常發生於欲利用磁性粒子加強腫瘤細胞於核磁共震顯影技術(MRI)下之影像對比強度，或利用腫瘤細胞內磁性粒子於高蘋頻率交流電磁場，受激發產生熱度，而破壞腫瘤細胞之熱療法(hyperthermia) ，以及藉由磁性粒子表面披覆生物單元(如基因)，直接進入細胞進行治療(如基因治療法)。除以上直接使用磁性粒子之生物醫學技術應用情況外，於一般化工或藥理應用，亦常有希望特定物質通過可滲透性薄膜層之情形(如希望美容用真珠粉可有效穿越皮膚表層而進入皮下組織)，而未來此類應用亦可比照上述情況，將此特定物質結合磁性粒子，利用外部磁場來操控其傳輸運動，故而對磁性粒子通過特定薄膜層之力學機制研究，深具研究價值。本提案計畫為全期三年之計畫，預計以三年時程完成三階段之研究進度，其主要研究目的為研究於不同磁場條件下，奈米磁性粒子通過具滲透性薄膜層之力學機制，並建立實用之數學模式，並針對此研究同時進行實驗與數值模擬。第一年將針對磁性粒子之基本運動模式進行探討，並建製基本之實驗機構，進行相對應之實驗以驗證或獲取數值模擬所須之各項物理性質或參數。第二年則針對生醫相容之含有奈米磁性粒子之穩定水基磁性流體及未經處理之奈米磁性粒子穿透均質滲透性薄膜層(PU 人工膜、生物皮膚表層等)進行模擬及實驗。第三年則進行含有生醫相容之奈米磁性粒子之穩定水基磁性流體及未經處理之奈米磁性粒子穿透複合性滲透性薄膜層(生物皮膚表層組織及細胞等)之模擬及實驗。
磁性奈米粒子穿透薄膜層之傳輸機制研究
(2008)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao(Ken)
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國立交通大學機械工程學系(所)
磁性粒子因其優異之生物相容性，亦已被考慮應用於生物醫學技術上，其方向可約略分為以下二大類: 細胞感受器標靶(Targeting to cell receptor)與精確細胞吸收效果(Targeted cell uptake) 。細胞感受器標靶(Targeting to cell receptor) 乃基於磁性粒子之奈米級尺寸小於典型細胞(~10~100μm) ，且與一般之基因及蛋白質相當，故而可於磁性粒子表面披覆(coating)生物標識器(如抗體及藥物) ，並可利用外部磁場導引至目標組織或細胞區域，而與組織或細胞感受器(cell receptor)結合併附著於細胞表面。利用此一磁性粒子附著細胞表面之技術，則可有效應用於精準釋藥之治療過程或細胞標籤化(cell labeling)應用，而細胞標籤化功能亦可再配合外部磁場進而進行細胞分類。精確細胞吸收效果 (Targeted cell uptake)須要磁性粒子直接進入細胞或組織內，稱之為細胞吸收 (cell uptake) 。此應用常發生於欲利用磁性粒子加強腫瘤細胞於核磁共震顯影技術(MRI)下之影像對比強度，或利用腫瘤細胞內磁性粒子於高蘋頻率交流電磁場，受激發產生熱度，而破壞腫瘤細胞之熱療法(hyperthermia) ，以及藉由磁性粒子表面披覆生物單元(如基因)，直接進入細胞進行治療(如基因治療法)。除以上直接使用磁性粒子之生物醫學技術應用情況外，於一般化工或藥理應用，亦常有希望特定物質通過可滲透性薄膜層之情形(如希望美容用真珠粉可有效穿越皮膚表層而進入皮下組織)，而未來此類應用亦可比照上述情況，將此特定物質結合磁性粒子，利用外部磁場來操控其傳輸運動，故而對磁性粒子通過特定薄膜層之力學機制研究，深具研究價值。本提案計畫為全期三年之計畫，預計以三年時程完成三階段之研究進度，其主要研究目的為研究於不同磁場條件下，奈米磁性粒子通過具滲透性薄膜層之力學機制，並建立實用之數學模式，並針對此研究同時進行實驗與數值模擬。第一年將針對磁性粒子之基本運動模式進行探討，並建製基本之實驗機構，進行相對應之實驗以驗證或獲取數值模擬所須之各項物理性質或參數。第二年則針對生醫相容之含有奈米磁性粒子之穩定水基磁性流體及未經處理之奈米磁性粒子穿透均質滲透性薄膜層(PU 人工膜、生物皮膚表層等)進行模擬及實驗。第三年則進行含有生醫相容之奈米磁性粒子之穩定水基磁性流體及未經處理之奈米磁性粒子穿透複合性滲透性薄膜層(生物皮膚表層組織及細胞等)之模擬及實驗。
磁性奈米粒子穿透薄膜層之傳輸機制研究
(2009)
陳慶耀
;
Chen Ching-Yao(Ken)
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國立交通大學機械工程學系(所)
磁性粒子因其優異之生物相容性，亦已被考慮應用於生物醫學技術上，其方向可約略分為以下二大類: 細胞感受器標靶(Targeting to cell receptor)與精確細胞吸收效果(Targeted cell uptake) 。細胞感受器標靶(Targeting to cell receptor) 乃基於磁性粒子之奈米級尺寸小於典型細胞(~10~100μm) ，且與一般之基因及蛋白質相當，故而可於磁性粒子表面披覆(coating)生物標識器(如抗體及藥物) ，並可利用外部磁場導引至目標組織或細胞區域，而與組織或細胞感受器(cell receptor)結合併附著於細胞表面。利用此一磁性粒子附著細胞表面之技術，則可有效應用於精準釋藥之治療過程或細胞標籤化(cell labeling)應用，而細胞標籤化功能亦可再配合外部磁場進而進行細胞分類。精確細胞吸收效果 (Targeted cell uptake)須要磁性粒子直接進入細胞或組織內，稱之為細胞吸收 (cell uptake) 。此應用常發生於欲利用磁性粒子加強腫瘤細胞於核磁共震顯影技術(MRI)下之影像對比強度，或利用腫瘤細胞內磁性粒子於高蘋頻率交流電磁場，受激發產生熱度，而破壞腫瘤細胞之熱療法(hyperthermia) ，以及藉由磁性粒子表面披覆生物單元(如基因)，直接進入細胞進行治療(如基因治療法)。除以上直接使用磁性粒子之生物醫學技術應用情況外，於一般化工或藥理應用，亦常有希望特定物質通過可滲透性薄膜層之情形(如希望美容用真珠粉可有效穿越皮膚表層而進入皮下組織)，而未來此類應用亦可比照上述情況，將此特定物質結合磁性粒子，利用外部磁場來操控其傳輸運動，故而對磁性粒子通過特定薄膜層之力學機制研究，深具研究價值。本提案計畫為全期三年之計畫，預計以三年時程完成三階段之研究進度，其主要研究目的為研究於不同磁場條件下，奈米磁性粒子通過具滲透性薄膜層之力學機制，並建立實用之數學模式，並針對此研究同時進行實驗與數值模擬。第一年將針對磁性粒子之基本運動模式進行探討，並建製基本之實驗機構，進行相對應之實驗以驗證或獲取數值模擬所須之各項物理性質或參數。第二年則針對生醫相容之含有奈米磁性粒子之穩定水基磁性流體及未經處理之奈米磁性粒子穿透均質滲透性薄膜層(PU 人工膜、生物皮膚表層等)進行模擬及實驗。第三年則進行含有生醫相容之奈米磁性粒子之穩定水基磁性流體及未經處理之奈米磁性粒子穿透複合性滲透性薄膜層(生物皮膚表層組織及細胞等)之模擬及實驗。
磁性流體電能轉換裝置於流場量測之開發與應用
(2009)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao(Ken)
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國立交通大學機械工程學系(所)
磁性流體電能轉換裝置於流場量測之開發與應用
(2011)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao(Ken)
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國立交通大學機械工程學系（所）
磁性流體電能轉換裝置於流場量測之開發與應用
(2010)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao(Ken)
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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
(2011)
陳慶耀
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Chen Ching-Yao(Ken)
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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。
磁性粒子操控之力學探討與於微奈米系統之應用
(2010)
陳慶耀
;
Chen Ching-Yao(Ken)
;
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。