奈米噴流

利用分子模擬進行液體噴流的研究方面，1993 年 Koplik 與 Banavar⁴⁹ 進行界面斷離（Rupture）的研究，圖 3-1 為他們研究液柱斷離形成液滴的 過程圖，系統由一開始的液柱逐漸斷離，然後慢慢調整，最後成為圓球；

他們改變不同的液柱半徑，並將液柱斷離的時間與線性理論做比較，得到 了不錯的結果。

圖 3-1 液柱斷離過程圖⁴⁹

1998 年 Kawano⁵⁰也進行了液柱在兩相斷離的研究，他加大了系統邊長 與液柱半徑的比值，所生成的液滴顆數並不像 Koplik 與 Banavar⁴⁹ 僅有單 顆，而下圖所生成的顆數較多，這是因為上圖的液柱半徑較大；而 Kawano 也將結果與 Rayleigh 的線性理論相比較，且得到相當不錯的結果。

圖 3-2 液柱斷離過程圖（Kawano）⁵⁰

2000 年 Moseler 和 Landman¹⁰進行奈米噴流的研究，他們成功的模擬連 續噴流現象，進而討論整個液流的形成、穩定性及分離的現象，並且利用 連續力學的概念，將 LE（Lubrication Equation）加上一修正項項成為 SLE

（Stochastic Lubrication Equation），且由所得的 SLE 與分子模擬比較，得到 與分子模擬相當吻合的結果。圖 3-3 Landman 等人所模擬的奈米噴流情 形，這是考慮分子與噴嘴有潤溼（Wetting）現象，由圖中可看出液柱及液 滴皆出現非對稱情形，且伴隨著蒸發的分子；而在傳統連續力學模擬中，

一般常見的方式是將 Navier-Stokes 方程式簡化成一維軸對稱，因此在噴流 過程中有些現象無法忠實的呈現，雖然有人採用三維的模擬方式，可有效 的描述非對稱情況，但是當尺度小至奈米級時，對於分子間作用力所產生 的現象，仍然無法用巨觀的 Navier-Stokes 方程式來描述，圖 3-4 即為不同 方法所預測的情形，在液滴形成前，在液流頸部（Neck）MD 是呈現雙錐 形，利用連續力學的 LE 所得到的結果呈現細長的液流，SLE 模擬所得到的

圖 3-3 奈米噴流過程圖¹⁰

圖 3-4 液體噴流預測情形 ¹⁰

2001 年 Goto⁵¹等人經由實驗與模擬進行研究，他們主要是利用雷射熔 射法（Laser Ablation），將一種有機分子注入另一種有機分子表面，如何成 功的將分子射出。

圖 3-5 雷射熔射法⁵¹

而在奈米噴流的實驗上，Voigt8, 9, 11, 52, 53

等人做了一系列的研究，他們 由製作的奈米噴嘴，進行不同條件的奈米級蝕刻研究，他們發現，當基板 與噴嘴的距離小於噴嘴的半徑時，蝕刻的寬度會趨近於噴嘴的直徑，亦即 可產生約 100 nm 的高解析度；而因為單一噴嘴蝕刻速度太慢，所以為了克 服這個問題，他們同時也發展了奈米噴嘴陣列，如圖 3-6 所示。

而奈米噴嘴製作的過程，利用聚焦式離子束（Focused Ion-Beam）在金 字塔型的矽後方鑽孔，而噴嘴的幾何主要受到離子束流動分佈（Profile）的 影響，因此經由適當的調整控制，可得到理想的噴嘴幾何。

方得華(Fung)等人於 2003 年¹³研究 Argon 的噴流塗佈情形，研究中觀 察不同噴嘴孔徑及移動基材對噴流塗佈的影響，並發現噴嘴內部能量隨時 間呈現波狀變化的情形。2004 年 ¹⁴研究溫度及噴嘴孔徑對噴流的影響，發 現除了能量之外壓力也呈現波狀變化的情形，並指出當系統溫度較低時有 利於流體集中不至於產生噴濺的現像。同作者於 2006 年¹⁶考量傾斜角度之 噴嘴於基材的塗佈情形，此外也針對不同的噴嘴移動速競進行討論。

圖 3-7 Argon 於基材之噴流塗佈情形及傾斜噴嘴之塗佈情形

2005 年 Shin 等人¹⁵透過二維分佈圖 (2D contour) 發現噴嘴內部接近出 口處存在一分界點，當流體通過該界線後因為相變化 (Phase transition) 導 致包括軸向速度分佈、局部密度結構及能量等皆有明顯的變化。此外透過 不同收縮角度改變噴嘴模具的設計，然而並不會明顯的影響噴流的液柱及 液滴。此外提供一項重要的訊息，液柱的斷裂的情形主要由溫度來決定，

當溫度過低時需要較長的時間液滴才會發生斷裂；反之則會較快發生斷

裂，並且得到較短的斷裂長度。

圖 3-8 不同形狀之噴嘴示意圖 ¹⁵