物理教育學刊
2019, 第二十卷第一期, 40-43
Chinese Physics Education 2019,20 (1), 40-43
中央研究院低溫物理實驗室參訪記趣
陳育仁
新北市立三重高級中學 yokjin@ma.schs.ntpc.edu.tw 2019 年 5 月 7 日新北市普通高級中學物理科課程發展中心(以下簡稱物理課發中心)帶領 14 位新北市物理種子教師及 2 位諮詢輔導委員赴中央研究院物理研究所奈米材料與低溫物理 實驗室(以下簡稱低溫物理實驗室)參訪，由低溫物理實驗室主持人陳洋元教授(以下簡稱陳教 授)親自為我們講授「低溫物理與實驗介紹」、「低溫物理的應用」兩個精采的講座，並帶領各 實驗室的研究團隊為我們導覽各實驗室及氦液化機工廠、精工室等，另外還參觀了吳大猷紀 念館，讓新北物理教師們大開眼界，直呼太值得、是收獲滿滿的一次參訪活動。 本次參訪流程由陳教授精心設計，主要流程如下表所示： 時間 活動流程(講師) 備註 10：00-11：00 講座 低溫物理與實驗介紹 (陳洋元教授) A、B 組 A 組 B 組 11：00-11：10 實驗室觀摩：實驗室介紹 A、B 組 11：10-11：35 實驗室觀摩 比熱、高壓 (洪慈蓮博士) X 光分析、XRF (余世勳、蔡瑋翰博士生) 電阻、磁性、長晶 (歐敏男博士) 11：35-12：00 實驗室觀摩 電阻、磁性、長晶 (歐敏男博士) 比熱、高壓 (洪慈蓮博士) X 光分析、XRF (余世勳、蔡瑋翰博士生) 12：00-13：00 午餐休息、自由座談 (陳洋元教授) A、B 組 13：00-14：00 講座 低溫物理的應用 (陳洋元教授) A、B 組 14：00-14：20 實驗室觀摩 熱傳導、Seebeck、DSC、TGA (藍天蔚博士) 薄膜與元件製作 (邱凡芸博士生、 陳揚叡、程皓廷助理) 14：20-14：40 實驗室觀摩 薄膜與元件製作 (邱凡芸博士生、 陳揚叡、程皓廷助理) 熱傳導、Seebeck、DSC、TGA (藍天蔚博士) 14：40-15：00 參觀：精工室 (林呈應技師)、氦液化機工廠 (莊博景博士) A、B 組 15：05-15：25 參觀：吳大猷紀念館 A、B 組 15：30-16：10 討論與分享、紅火蟻偵測犬偵測示範 (陳洋元教授等) A、B 組 10.6212/CPE.201907_20(1).0005中央研究院低溫物理實驗室參訪記趣 - 41 - 陳教授與研究團隊對科學研究的熱情、對教育的熱心與對知識的無私令人印象深刻，不 但對老師們的好奇知無不言、言無不盡，各實驗室的儀器、測量技巧、精密度等都願意公開 讓物理課發中心種子教師們參觀，且也不禁止拍照，身體力行知識共享。在「低溫物理與實 驗介紹」講座中，陳教授從早年協助建置中研院實驗室設備，如低溫比熱測量儀器系統等所 面對的種種挑戰及克服過程，到時下低溫物理各個研究內容的介紹，以生動的故事帶領我們 悠遊在科學家充滿創意與驚奇的工作情境中。例如如何以惠司同電橋去克服微量電阻測量時 的穩定電流條件、如何改變材料的結構以提高超導的溫度，以及如何以熱傳導量測等分析物 質材料的性質等等，不但讓參訪老師們在這方面再長知識，同時也提供了高中物理教學時， 一個可以說明學習物理之價值的良好具體實例。 圖 1:陳洋元教授親自講座 圖 2:頒發感謝狀及全體參與教師合影 在「低溫物理的應用」講座中，陳教授對其中三個運用著墨不少，其一為熱電效應的成 因及運用，從熱電材料的特性研究方式，到熱電材料未來的運用展望等都有不少的介紹，同 時也說明了高中學生若欲從事這方面的研究，低溫物理實驗室或許能給予什麼樣的協助。其 二為陳教授與中研院生物所馬堪津研究員合作，廣為人知的「液態氮冷凍滅紅火蟻」的技術 ，在紅火蟻入侵臺灣引發社會恐慌的年代，陳教授應李遠哲院長之託開創出來，幾乎完全沒 有副作用，且可以有效完全根除同一蟻巢之紅火蟻害(含火蟻群、蟻后、蟻卵及蛹等)的滅蟻 技術。此技術是運用液態氮溫度達 –195.79 C，遠低於會導致紅火蟻完全死亡的 –17 C 之 環境溫度的特性，以中研院物理所精工室打造的金屬管往紅火蟻巢灌注液態氮，即便液態氮 氣化後低溫氣體反而更容易擴散至紅火蟻巢的各個通道，讓整個紅火蟻巢達到–17 C 以下的 溫度，達成滅蟻的目標。後來更訓練出「紅火蟻偵察犬」且帶到現場示範給老師們看。其三 為在國道 5 號雪山隧道開挖期間，因斷層及地下湧泉等地質特性，導致開挖的潛盾機多次受 阻，陳教授與研究團隊於是參考歐洲常在冬天結冰時拖工的作法，設計了「冰凍工法」，以 專用的液態氮灌注管，打入拖工區土壤中再灌入液態氮，使土壤中所含的水結冰變堅實如岩 石後再由機具開挖，以克服土壤因含水量過多，造成土質鬆軟而坍塌阻礙拖工的困境。同時 藉由當時榮民工程事業管理處(一般簡稱榮工處)提供的研究經費，讓陳教授的團隊得以驗證 「冰凍工法」的效果，雖然此工法最終未在雪山隧道的開挖上派上用場，卻在後來台北市開 挖汙水下水道時，提供了在地下水位較高的泥灘地上開挖下水道的解方。另外還值得一提的 是，陳教授還現場示範了氦填充氣球與用口吹氣之氣球在液態氮中的大小變化的實驗，直接 顯示出氦氣的臨界溫度低於氮氣的可觀察現象。
陳育仁 - 42 - 圖 3:紅火蟻偵察犬示範 圖 4:冰凍工法實驗 (圖片來源： https://www.phys.sinica.edu.tw/~lowtemp/Freezing.htm) 在實驗室的觀摩上也是驚喜連連，除了能一窺最先進的實驗設備之外，陳教授與研究團 隊更是在前一日就準備好各個實驗之示範材料，每一實驗室都現場做了實驗與讀取數據的示 範，直接展示讀取的數據特性，以及一些實驗的關鍵技巧。例如比熱系統的材料安裝流程、 奈米樣品製作儀器之操作與技巧、長晶設備的操作與流程及 X 光布拉格散射量測的材料結構 等等，不但看到了現場的操作、即時的偵測及數據分析，陳教授與研究團隊對於老師們的任 何問題，例如電子躍遷的比熱、測量材料接點處的電阻影響、散射實驗之材料放置角度的影 響、長晶的時間長短及成敗判斷等等，都耐心的一一解答。歐敏男博士更展示了他特地為小 孩做的 NaCl 長晶實驗，在高中教學中與班上同學一同來做一個這樣的長晶實驗，不但可以 引起學生對科學的好奇，又可以讓科學更貼近生活，相信會是一個很好的科學教學活動。 圖 5:比熱系統 圖 6:奈米樣品製作 圖 7:長晶實驗室 圖 8:NaCl 長晶實驗 圖 9:X 光分析實驗室
中央研究院低溫物理實驗室參訪記趣 - 43 - 低溫物理研究的重大花費之一就是用來製造低溫實驗環境的液態氦，為了降低研究花費 及節約資源，陳教授協助在中研院內建立了一個氦液化機工廠，回收各實驗室使用後的氦氣 重新液化，達到 85%以上的循環使用。為了達成更精密的實驗需求，陳教授也協助在中研院 內建立了一個精工室，提供各個實驗室所需要的精密元件。 圖 10:氦液化機工廠 圖 11:精工室線切機 在參訪行程中，陳教授特別安排了物理課發中心的種子教師們參觀「吳大猷紀念館」並 安排導覽解說，緬懷一代偉大的物理學家及教育家對我國物理發展及教育的貢獻。沐育在巨 人的理想中，受其使命感的指引，相信又可為參訪的教師們注入不少的教育熱情。 陳教授不但陪著大家共進午餐，在午餐時的自由座談中還主動告知中研院能讓高中學生 參與研究或學習的一些管道，以及在科展、專題研究上可提供的協助，確實讓新北市物理種 子教師們多認識一個在教學上非常有價值的資源。 這就是一場自上午抵達中研院低溫物理實驗室開始，直至下午結束離開，全程絕無冷場 ，讓新北市高中物理課發中心種子教師們流連忘返的參訪。 圖 12:吳大猷紀念館前合影 圖 13:午餐自由座談
