第五章、 研究結果與討論
5.2 不同溫度下之噴流研究
5.2.5 密度分佈
研究中探討不同溫度下之噴流系統，由密度分佈圖，圖5.10，可 看出在溫度 278K 時，噴管中的密度最大，因為低溫下，分子能量較 低，移動較慢，所以管內密度最不均勻，反之，在溫度 348K 時，管 內密度較均勻。
另外，再一樣的距離 36nm 之下，低溫的環境下做噴流的行為，
液滴抵達板子的時間較長，需要63ps。當溫度提高至 298K 時，噴管 中的密度漸漸變小，且室溫的環境下做噴流的行為，液滴抵達板子的 時間為60ps。再升溫到 348K 時發現高溫的環境下做噴流的行為，液 滴抵達板子的時間最短只需要51ps。此現象十分合理，因為高溫下，
分子能量較高，移動較快，所以溫度348K 時，液滴最快到達板子。
(a) T=278(K)
(b) T=298(K)
(c) T=348(K)
圖5.10 密度分佈圖
5.2.6 流場圖
另外，我們特地將低溫 278K 及高溫 348K 於 39ps 的瞬時密度圖 加上流場做比較，如圖5.11，由觀察而得到一個訊息，當液體於出口 處靠近管壁的粒子，會多一個垂直噴出方向的力，以至於有些微散射 現象，會影響到分子往正確的方向前進，然而在低溫的環境下做噴流 的行為，比在高溫的環境下，流線發散的角度較小，可見在低溫的環 境下確實比較適合做出準確的噴流行為。
圖5.11 流場分佈圖
5.2.7 壓力瞬時分佈圖
我們特地將系統開始擠壓的前5ps 壓力分佈圖做比較與分析，圖 5.12 即為壓力瞬時分佈圖，我們可以發現剛開始啟動活塞時，也就是 時間為 21ps 時，管內水分子因為突然受到一個外來的力，且分子還 來不及位移，於是活塞前形成極大的壓力區塊。
在時間為 22ps 時，我們可以看到受到驅動壓力的影響，開始產 生位移，於是活塞前壓力區塊獲得洩壓。
在時間為 23ps 時，分子向噴口位移，因為管內直徑逐漸變小，
造成噴口處產生極大壓力區塊。
時間為24ps 時，水分子噴出系統外，於是管內也漸漸獲得洩壓。
所以，時間於 25ps 後，管內壓力就較均勻，不會特別集中於某 一區域。
我們也可以發現系統溫度不同，壓力分佈圖沒太大差別，只有些 微不同，在溫度 278K 時，因為接近凝固點，水分子能量最低，分子 移動較慢，所以於時間為 21ps 時，活塞前的壓力區塊範圍最大，反 之，溫度為 348K 時，水分子能量較高，分子移動速率較低溫快，活 塞前的壓力區塊範圍最小。
圖5.12 壓力瞬時分佈圖
5.3 噴印研究
當我們已知，在低溫的環境下確實比較適合做出準確的噴流行 為。那接著希望能控制噴印的量，我們選擇討論相同平均速度下，相 同推進時間，利用不同的推進距離，討論三組不同的水量噴在板子上 的現象，比較各項性質的差異，條件如表5.3。
CaCasse e
距離距離((nnmm)) 11 4.4.9911
22 2.2.44556 6 33 1.1.22228 8
表 5.3 不同量的噴印測試
5.3.1 推出的水個數
我們在此噴印研究中，將探討相同平均速度下，不同的水量，因 為我們想利用活塞推進的距離來控制噴出的水量，但實際的噴出水分 子個數，須靠我們將粒子數對時間做圖才能知道，如圖5.13，分別是 活塞推進 4.91nm，2.456nm，1.228nm。由圖中明確的顯示各別噴出 的水分子數，活塞推進 4.91nm 大約可以推出 4233 個水分子；活塞推 進 2.456nm 大約可以推出 2033 個水分子；活塞推進 1.228nm 大約可 以推出1003 個水分子。
Case1
Case2
Case3
圖 5.13 管內與管外的原子數
5.3.2 瞬時圖
奈米尺度下的噴印系統，最令人困擾的是，驅動力給予流體的能 量不夠大，以至於大量分子未離開噴頭而吸附在噴頭上形成一大顆液 珠，如圖5.14，這樣的情況不符合經濟效應，因為實際噴出的量，卻 只有少部分噴印在板子上，有大量的分子積在噴頭的部份，所以在加 工時還要每次清理噴頭，且浪費成本。
圖 5.14 噴頭形成液珠
所以，經過我們數次的模擬實驗發現，活塞給予流體的瞬間壓力 很重要，能讓分子內能增加，就有足夠的動能飛向板子；所以我們將 選擇活塞的速度，雖然都是相同的平均速度 50m/s，在程式中，經無 因次化後，是每ㄧ個時間步進，活塞前進0.00075 的距離，所以我們 現在針對不同噴出的量，給予不同的瞬時速度。
所以我們將case1 每 200 個時間步進，活塞前進 0.15 的距離；case2 每100 個時間步進，活塞前進 0.075 的距離；case3 每 50 個時間步進，
活塞前進0.0375 的距離。
這樣的設定，讓不同量的噴印動作都在相同時間下完成，且效果 不錯，沒有一大顆液珠在噴頭上形成，瞬時圖如圖5.15
case1 case2 case3 圖5.15 瞬時圖
我們看到case1 的水分子明顯獲得了比 case2 及 case3 還大的能量 且分子吸附在噴頭的量明顯變少，且板子上液體的厚度與噴出的量幾 乎成正比。
另外，雖然噴出時間相同，但飛行中的液滴，其中 case3 還需要
一段蠻長的時間才能抵達板子，因為能量不夠，速度變慢。
5.3.3 壓力分佈圖
我們從壓力分佈圖發現，Case1 獲得了最大的瞬間壓力將近 300MPa，Case2 獲得最大的瞬間壓力不到 200 MPa，Case3 所獲得的 壓力曲線最溫和都不超過100MPa，如圖 5.16。
case1
case2
case3
圖 5.16 壓力分佈圖
5.3.4 分子個數分佈圖
我們想更了解此噴印究竟有多少水分子抵達板子上，所以做了水 分子個數對位置的做圖，如圖5.17
case1
case2
case3
圖5.17 水分子分佈圖
我們可以發現噴嘴吸附的分子明顯變少，且數量在 case1 約有 80 個水分子，在 case2 約有 120 個水分子，在 case3 約有 100 個水分 子，沒有特別的規律性；但板子上的水分子，就幾乎與活塞前進距離 成正比，如圖5.18，在 case1 約有 4153 個水分子於板子上，在 case2 約有1913 個水分子於板子上，在 case3 約有 903 個水分子於板子上，
這是一個極大的好消息，表示藉由這次模擬我們能做到定量的掌控，
但要注意越多的量，需要越大的瞬間壓力給予分子飛行的能量。
圖5.18 水分子個數與推進距離作圖
第六章、結論與未來展望
研究中探討不同溫度噴流過程及不同瞬時推速的噴印過程，由實 驗結果可知，我們由瞬時圖中液滴的形成、液滴形狀、分子蒸發現象、
衛星液滴的產生、打在板子上的圖形、及流場，各項分析顯示出，在 溫度較低時，是最適合做精密計算的奈米噴流加工。
當 噴 流 系 統 溫 度 為 T=278(K) 時 ， 可 看 出 其 蒸 發 現 象 較 T=298,348(K)時相對較低。此外液滴打在板子上的情況也是最優良。
且較不易產生衛星液滴，十分利於精密加工。
所以接著噴印的模擬過程就選定溫度為 278K，重大發現，只要 有足夠的趨動壓力，抵達板子上的水分子會幾乎與活塞前進距離成正 比，因分子於噴頭吸附的量變少。
期待在未來利用噴墨的加工技術越來越高科技且微小化，可以經 由本研究中的模擬系統預先嘗試，降低成本，減少失誤及錯誤估計的 損失，在研究中假設噴流系統中成分為純水，實際上噴流系統中成分 都較為複雜，所以希望未來可以模擬出更多樣化的物質，讓我們的模 擬系統更加接近實際情況，得到更加準確的訊息。
希望我們能在未來全球都全力投入奈米科技的研發時，給予人 類對微加工的摸索及了解能有所幫助。
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