分子動力學目前之應用

分子動力學模擬在除了被使用在探討分子、原子的材料性質或結 構物性外，在近年來也開始被使用在微小特殊元件的探討研究上。

在目前分子動力學使用的最多且最成熟的，是在於分子生物上的 探討，例如:蛋白質結構分析、DNA 基因片段、生物酵素反應機制等，

可以藉由分子動力學模擬瞭解其結構形成與反應物性，藉此來研究反 應機制與探討反應條件之影響。再加上近年來熱門的奈米材料也可藉 由分子動力學模擬來預測其形成之結構與條件，藉以幫助一些現象的 探討，如:奈米碳管、碳球(C60)之形成、微奈米流道行為或微結構電 子顯微鏡等，不只使得微奈米尺度的研究更便於瞭解，更可提供一個 具體的行為過程來進行分析。在過去十年來，分子動力學也經常被使 用在許多巨觀現象的研究，諸如:破壞力學、相變化行為、擴散現象、

滲透現象、雷射激發，或一些材料性質、熱力參數的探討，可以幫助 現象的細部結構研究，並可透過模擬來找尋適當的參數條件。

1-4 噴墨技術簡介

噴墨列印技術依照所使用的技術不同，其設計也相當多樣化，且

都有相當廣泛的應用潛力，圖 1-12 即為依不同技術所做的分類。一 般來說主要可分為連續式（Continuous）和供需式（Drop-On Demand, DOD）兩種方式。

圖 1.12 噴墨列印技術

連續式主要是利用墨水源連續產生墨滴，接著經過電場使得墨滴 帶有電荷，再藉由靜電或電磁方式使得墨滴上下偏向，將所要使用的

墨滴偏向列印的基材上，而不用的墨滴則偏向集墨管回收；依照偏向 方法的不同，可以分為位元偏向式（Binary Deflection）和多重偏向 式（Multiple Deflection），分別如圖1-13 和圖 1-14 所示。其中兩者的 優點皆為列印速度快且適用的化學藥品多；缺點為初始系統貴、解析 度低，且只適用低黏度墨水，這一類的應用主要是戶外的大型海報。

圖1.13 連續式：位元偏向式

圖1.14 連續式：多重偏向式

目 前 最 廣 泛 使 用 的 噴 墨 列 印 技 術 為 供 需 式 ， 而 其 中 熱 泡 式

（Thermal Bubble）和壓電式（Piezoelectric）為市場上的主流。熱泡 式是利用加熱噴嘴內部的薄膜電阻而產生高溫，使得墨水瞬間沸騰形 成氣泡，再藉由壓力上升產生的力量，將墨水由噴嘴噴出；熱泡式之 優點為設計簡單、價格便宜及速度快，缺點則是受熱應力的作用，噴 墨頭容易損耗。熱泡式主要可分為頂噴型（Roof-Shooter）和側噴型

（Side-Shooter），如圖 1-15 及圖 1-16 所示。

圖1.15 熱泡式：頂噴型

圖1.16 熱泡式：側噴型^[2]

壓電式噴墨技術是利用壓電材料（Piezoelectric Material）施加電 壓後會產生形變，進而推擠噴嘴內墨水產生高壓而將墨滴噴出；優點 為無熱應力反覆作用因此不易損壞、墨滴大小容易控制，缺點為製造 技術困難且昂貴。依不同壓電產生的形變機制，壓電式又可分為收縮 管型（Squeeze Tube Mode）、彎曲型（Bend Mode）、推擠型（Push Mode）

及剪切型（Shear Mode），分別如圖 1-17、圖 1-18、圖 1-19 及圖 1-20 所示。

圖 1.17 壓電式：收縮管型

圖1.18 壓電式：彎曲型

圖1.19 壓電式：推擠型

圖1.20 壓電式：剪切型

1-5 水勢能簡介

介紹水分子勢能模型，水分子為最常使用的溶劑，因此也發展的最 早，目前使用在水分子的勢能函式相當繁多，依水分子模型種類如圖 1.21，可以被區分為四大類，分別為：

a.五點水分子勢能(5-site Water Model)

BNS potential(1972)、ST2 potential (1974)

b.四點水分子勢能(4-site Water Model) TIP4P potential(1983)

c.三點水分子勢能(3-site Water Model)

SPC potential(1981)、SPC/E potential (1987) d.Fitting to ab initio Water Model

MCY potential (1976)、CC potential (1984)

圖1.21 水分子模型種類^[40]

由於水分子勢能模型種類相當繁多，發展上也各有優缺點，在過 去文獻中有許多水勢能的相關比較，一般而言，SPC、TIP4P 水勢能 模型是較經常被使用的水勢能模型，由於這兩種模擬方法較為容易，

而模擬出的相關性質也都與實際數值相接近。

一、TIP4P potential

TIP4P potential為The transferable Intermolecular Potential function 4 Particles的簡稱，其模型的形狀如圖1.22所示。

圖1.22 TIP4P 水分子模型示意圖

二、SPC/E potential