跨領域科技教育平台計畫－奈米科技子計畫

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

跨領域科技教育平台計畫--奈米科技子計畫

研究成果報告(完整版)

計畫類別：整合型計畫編號： NSC 95-2218-E-002-048- 執行期間： 95 年 03 月 01 日至 96 年 02 月 28 日執行單位：國立臺灣大學應用力學研究所計畫主持人：沈弘俊共同主持人：陳介力、吳光鐘、胡文聰、賴信志、黃榮山計畫參與人員：碩士級-專任助理：林坤漢學士級-專任助理：陳佳暐高中(職)畢-專任助理：林慧蘭處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 96 年 04 月 12 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成果報告

□期中進度報告

跨領域科技教育平台計畫

－

奈米科技子計畫

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫

計畫編號：NSC 95－ 2218 － E － 002 － 048

執行期間： 95 年 03 月 01 日至 96 年 02 月 28 日

計畫主持人：

沈弘俊教授

共同主持人：

陳介力教授

計畫參與人員：

吳光鐘教授、胡文聰教授、賴信志教授、

黃榮山副教授、戴鴻名研究員

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：

國立臺灣大學應用力學研究所、國家高速網路與計算中心

中華民國九十六年二月二十日

(3)

中、英成果摘要

本年度計畫執行成果簡述如下： (1)規畫建構「奈米生物科技教學走廊」：結合已完成的奈米科技人才培育實驗室、微奈米系統製程教學實驗室及奈米機電系統研究中心，與今年度完成的奈米生物實驗室，整合奈米製程工程與生物醫學製備與技術，作為創新之遠距互動式虛擬實作教學及跨領域教學展示走廊。目前分別提供清雲科技大學、元智大學、淡江大學、中華技術學院及多名國中、高中教師，進行教學觀摩與製程實驗，達到教學及培育的效果。 (2)「奈米生物教學走廊」教學應用與推廣：配合校外教學進行實機解說及訓練，並藉由參觀、講解或課程進行等方式，來增加學習者對奈米科技的了解；95 年度上學期以「奈米生物技術」課程，成功完成遠距實驗教學。未來也將輔助製作數位化教材及創新之遠距互動式虛擬實作教學之課程開發及數位化，且提供實驗教學及研究使用。 (3)持續推動遠距教學：建立遠距互動式協同教學模式，整合跨領域奈米科技教學資源，擴大教學範圍。今年開授三門遠距協同教學課程：「奈米工程技術概論」、「奈米生物技術」、「奈米科技導論」，分別與海洋大學、澎湖科技大學、清雲科技大學、聖約翰科技大學、金門技術學院、東南技術學院、北台技術學院、德霖技術學院、中華技術學院等校進行遠距教學同步授課，共計有 560 餘名學生選修，並計畫結合各區域奈米科技教學資源，透過所建置之數位學習平台，將課程內容後製為數位化串流教學教材，提供學子多元化的學習管道。 (4)多媒體數位教材開發製作：為使奈米科技的相關知識於全國各地快速推廣，將奈米相關教育課程、內容以及奈米實驗流程與結果，以互動式學習的模式進行教學設計，進而轉化為數位化教材，建立跨領域的數位知識交換平台，務求能形成一種傳遞知識的有效途徑，以達強化國家的科技人才培育機制。今年度完成數位教材包含：「安全訓練」、「奈米顆粒製作」、「生物性安全訓練」、「細胞培養示範」、「電子束熱蒸鍍」。 (5) 微米/奈米流體力學課程開發與實驗開發，並於 95 年度已完成共四個數位化單元教材，分別為：「微小化理念」、「微流體特性」、「重要無因次參數」、「交流電滲流特性」、等電子書教材及教學實驗。

(4)

目錄

壹、計畫緣起及目標... - 2 - 貳、實施策略與方法... - 4 - 一、規畫建構「奈米生物科技教學走廊」 ... - 4 - 二、「奈米生物科技走廊」教學應用－遠距教學實驗課程 ... - 4 - 三、發展互動式遠距協同教學模式 ... - 4 - 四、多媒體數位教材開發製作 ... - 5 - 參、進度時程報告表... - 9 - 肆、執行成果及績效... - 10 - 一、「奈米生物科技走廊」 ... - 10 - 二、發展互動式遠距協同教學模式 ... - 21 - (一)、執行成果與規畫 ... - 22 - (二)、遠距教學課程接收模式... - 23 - (三)、遠距教學實施現況... - 24 - (四）、遠距教學實驗... - 25 - 三、遠距教學實驗 ... - 25 - 四、多媒體數位教材開發與製作 ... - 31 - (一)、微米/奈米流體力學... - 31 - (二)、奈米工程概論... - 64 - (三)、奈米生物技術(串流)... - 65 - (四)、奈米工程技術概論 ... - 66 - (五)、奈米科技導論... - 66 - 伍、成果討論及建議... - 68 - 一、「奈米生物科技走廊」之成果與未來規畫 ... - 68 - 二、成功推展互動式遠距協同教學模式 ... - 70 - 三、完成多媒體數位教材開發與製作 ... - 71 -

(5)

壹、計畫緣起及目標

緣起進入二十一世紀高科技主導人類需求的知識經濟時代，伴隨著科學技術的發展，人類對能源及資源的消耗將加劇成長，而能源的短缺及環境污染衝擊著地球的發展；在歐美國家都已投入鉅資發展奈米科技的同時，面對國內科技人才的短缺，降低了我國的國際競爭力，更阻礙了我國未來產業的發展。為解決此人才不足之窘境，本計畫擬於 94 至 96 年度發展以專業領域為導向的跨領域科技教育平台，期能有效的整合既有資源，全面且迅速地提昇國內人才之培養。奈米科技，將是廿一世紀科技與產業發展最大的驅動力，不僅使科學與技術領域創造新事物的可能性變得無可限量，同時奈米科技也正在創造新一波的技術革命與產業，奈米科技呈現的是跨領域整合性質的整體表現。未來奈米科技所產生的新材料、新特性及其衍生之新裝置、新應用及所建立之精確量測技術的影響，將遍及儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械工具、醫學醫藥、基因工程、環境與資源、化學工業等產業。正因為如此，奈米科技所需的是擁有跨領域知識訓練、宏觀視野的人才。我國基本上也將奈米科技視為本世紀推動科技發展的高速列車，考量奈米技術所具跨領域之特微亦配合技術面及計畫面的組織運作以期能有效率地將奈米技術聚焦於促使國家快速發展之根基上。目標本計畫擬於 94 至 97 年度發展以專業領域為導向的跨領域科技教育平台，期能有效的整合既有資源，提昇國內人才之培養，結合學界與業界以形成一知識供應鏈，並擴展至社會大眾之在職訓練與終身學習，進而達到培育優秀之跨領域專業科技人才的目標。為能達到吸引大眾學習瀏覽的目的，數位平台的內容多採以互動式的學習模式，使網路教學更具靈活性，並希望能夠藉由實體教學訓練與寬廣的數位知識平台相輔相成，進行奈米科技的教學。此外，透過數位平台的建置，也可將相關奈米實驗流程與結果，以及奈微米相關的教育課程及內容放置於網路教育平台上，提供學習者利用網路教育平台學習到相關的知識。是故跨領域的數位知識交換平台將有助於奈米科技的學習與傳播，具有高效率及縮短城鄉差距等優點，使得奈米科技與其他相關科技可以藉由網路傳遞而達到科技跨領域整合與科普教育的目的，搭配互動式數位知識平台，廣泛的推展包括奈米科技、生醫科技、平面顯示及光機電工程等的相關科技，未來也將積極與其他科技進行整合應用，以達到跨領域科技教育的目的，進而強化國家的科技人才培育機制。透過國家高速網路中心所研發的互動式遠距協同教學平台，至今由台灣大學開授「奈米生物技術」、「奈米工程技術概論」、「奈米科技導論」，同步傳送至海洋大學、澎湖科技大學、清雲科技大學、聖約翰科技大學、金門技術學院、東南技術學院、北台技

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術學院、德霖技術學院、中華技術學院等，選課學生超遇百人，成功打破距離的藩籬，也建立了互動式遠距協同教學模式。今年將結合教育部計畫與區域中心和夥伴學校共同連結為互動式遠距教學網，共同發展互動式遠距協同教學模式，透過網絡的鏈結充份整合各區域奈米米科技教學資源，俾使學生不再侷限於區域的限制，增進奈米科技相關知識的學習。同時，針對實體展示中心的建置與教學運用，在第二年建置完成「奈米生物科技走廊」，已分別安排北一女中、大直高中、元智大學、清雲大學、淡江大學等十餘所大學及中小學學生進行參觀、解說及實作教學，其中於「奈米生物科技」遠距教學課程中，更進行遠距教學實驗課程，透過遠距教學設備，使遠距教學收播學校也能看到細胞繁殖的情況及原子力顯微鏡下的細胞樣本形貌。在多媒體數位教材的規畫乃在於結合物理、化學、材料、化工、機械及電機的基礎知識，並針對有關奈米科技的領域給予大學部（甚至研究所）對此學門極感興趣的學生，透過數位學習平台進行學習，如奈米材料科學、超微薄膜物理、表面物理/化學、奈米尺度顯微術、奈米磁學與電子學、奈米光電現象、奈米高分子科學與微機電系統等等，藉以開闢兼具專業性及應用性的跨領域學習平台。依此構想，期望集合各領域專才共同交流與合作，積極培育下一代尖端奈米科技人才，以期提昇我國未來在尖端科技領域的競爭力。

(7)

貳、實施策略與方法

本子計畫執行奈米科技相關教學推廣工作，於第二年進行之重點工作有：

一、規畫建構「奈米生物科技教學走廊」

第二年將以台灣大學既有的奈微米機電製程中心為基礎，結合微奈米系統製程教學實驗室、奈米科技人才培育實驗室中的原子力顯微鏡量測設備，整合奈米生醫與奈米科技成為電機、工程領域與生命科學之橋樑；另計畫將建置工程用生物細胞培養室，串連奈米製程、奈米量測與生物技術，形成「奈米生物科技教學走廊」。所擬建立之「奈米生物科技教學走廊」，將為國內首見結合奈米製程工程與生物醫學製備與技術之實作教學及跨領域展示走廊。並希冀藉此建立完整跨領域從工程至生物分子、細胞以至生物體的尖端奈米科技與生物技術之整合。該教學走廊將用於建立創新試驗性虛擬互動式實作教學，透過影音即時傳輸至遠端與實驗現塲即時互動。此虛擬互動式實作活動將列入『奈米生物技術』課程其中一週的內容。除了在課程教學與實作的交互運用上，本教學走廊並將作為展示的實體中心。未來更可以進駐新興的奈米科技產品及設施，以加速推展奈米科技的知識推展與普及。

二、「奈米生物科技走廊」教學應用－遠距教學實驗課程

奈米生物技術教學走廊」的建置可克服城鄉差距及教育資源限制，提供擬實施奈米生物技術教學之學校，以遠距教學實驗課程之模式，遠距進行實機解說及訓練，透過「聽」、「看」、「觸」的教學三部曲，充份達到跨領域奈米科技知識的學習。此外，藉由已建置的互動式遠距協同教學系統，可提供遠端使用者，透過網路介面瞭解常見生活用品及微生物之微奈米尺度的形貌。第一階段遠距教學實驗課程規劃利用原子力顯微鏡對常見生活用品及微生物進行微奈米尺度的形貌掃描，課程中將撥放先行製作完成的多媒體數位教材-原子力顯微技術」、「原子力顯微鏡示範操作」，使遠端學習者能由淺至深對原子力顯微鏡有基本認識，並在課程中能夠進一步瞭解。同時，搭配新建置的奈米生醫實驗室所提供之生物樣本-大腸桿菌及金黃葡萄球菌，使學習者能由不同的尺度觀察細菌形貌，並即時觀看生物活性的成長畫面，暸解奈米科技對生物技術發展的效益。

三、發展互動式遠距協同教學模式

整合跨領域奈米科技教學資源，擴大教學範圍，並結合奈米國家型科技計畫，共同推廣互動式遠距協同教學模式，透過網絡的鏈結充份整合各區域奈米米科技教學資源，俾使學生不再侷限於區域的限制，增進奈米科技相關知識的學習。今年開

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授三門遠距協同教學課程：「奈米工程技術概論」、「奈米生物技術」、「奈米科技導論」，分別與海洋大學、澎湖科技大學、清雲科技大學、聖約翰科技大學、金門技術學院、東南技術學院、北台技術學院、德霖技術學院、中華技術學院等校進行遠距教學同步授課，共計有 560 餘名學生選修，並計畫結合各區域奈米科技教學資源，透過所建置之數位學習平台，將課程內容後製為數位化串流教學教材，運用網際網路與無遠弗屆的力量及所建置之數位學習平台，提供進修或複習的使用者最便捷的學習管道，俾使學生不再侷限於區域的限制，增進奈米科技相關知識的學習。

四、多媒體數位教材開發製作

為突破環境距離的限制，使奈米科技的相關知識於全國各地快速推廣，將奈米相關教育課程、內容以及奈米實驗流程與結果，以互動式學習的模式進行教學設計，針對奈米科技領域的多媒體教材開發製作，進而轉化為數位化教材，達到學習新知的完整性，以達強化國家的科技人才培育機制。繼去年完成八個單元教材後，於 2006 年完成「安全訓練」、「奈米顆粒製作」、「生物性安全訓練」、「細胞培養示範」、「電子束熱蒸鍍」、「微小化理念」、「微流體特性」、「重要無因次參數」、「交流電滲流特性」等八個單元電子書教材及教學實驗。另外，配合遠距協同教學課程完成「奈米工程技術概論」、「奈米生物技術」、「奈米科技導論」精緻化串流課程，同步錄製每週課程，並加以分段後製，使影片更加精緻化，以方便學者日後隨時學習使用。以下分項說明各課程單元規劃方式。 (一)、微米/奈米流體力學本課程內容主要在探討流體力學應用於微米/奈米尺度時之特性。生物科技已成為廿一世紀的重要領域，可以預期對人類醫學的發展有長遠的影響，而人體中約 60%為液體，可知流體力學應用在微米/奈米尺度之重要，對 DNA、蛋白質、細胞、新藥物研發、化學反應等都扮演重要角色。本課程將對微米/奈米流體力學及應用做介紹及探討。 94 年度已完成共五個數位化單元教材，分別為：「壓力驅動徵流特性」、「介電泳」、「光徵影與軟微影」、「徵流道製作-光微影與軟微影製程」、「微流道製作-雷射雕刻機製程」等。 95 年度繼續完成「微小化理念」、「微流體特性」、「重要無因次參數」、「交流電滲流特性」、等四個單元電子書教材及教學實驗。本課程預期目標效益： 1.學會微米/奈米流體的概念 2.學會微米/奈米流體相關的物理觀念

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3.學會流體元件的製作與量測 4.學會微米/奈米流體應用於生物醫學領域的相關議題本課程架構圖示：一、微米/奈米流體的觀念微小化理念微流體特性相關物理觀念四、微流元件應用微流網路探討細胞裂解二、微米/奈米流體的物理觀念重要無因次參數壓力驅動微流特性微混合特性介電泳特性交流電滲流特性三、微流元件的製作與量測光微影與軟微影概論微流道製作—光微影與軟微影製程微流道製作—雷射雕刻機製程微流量測

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(二)、奈米工程概論奈米工程技術為是下世紀的重要前瞻技術，它匯集了力學、電學、光學、材料、化工、環工、製造、測量、生醫工程、微機電等技術，探討有效尺寸在奈米等級範圍的綜合技術。培育奈米工程技術的基礎人才，提供奈米工程相關的教學課程與研究環境，整合工學院、電機資訊學院及相關領域專家和人才，進行跨院系的奈米工程理論與技術之教學與研究。 95 年度已完成四個數位化單元教材，分別為：「安全訓練」、「奈米顆粒製作」、「生物性安全訓練」、「細胞培養示範」、「電子束熱蒸鍍」等電子書教材及教學實驗；與 94 年度完成「奈米光觸媒的認識」、「原子力顯技術」、「原子力顯微鏡示範性操作」3 個電子教材，共計完成 8 個單元數位化電子書及實驗教材。本課程預期目標效益： 1.了解奈米科技在不同領域中，如力學、電機、材料、生醫、微機電等的技術發展。 2.了解奈米科技量測技術的發展與應用，如原子力顯微鏡原理與操作等。 3.培育奈米工程技術的基礎人才。本課程架構圖示：

奈米工程概論

單元四奈米顆粒製作單元五生物性安全訓練單元六細胞培養示範單元七安全訓練單元一奈米光觸媒的認識單元二原子力顯微技術單元三原子力顯微鏡示範性單元八電子束熱蒸鍍

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(三)、奈米生物技術(串流) 本課程之開設主要是針對工程領域背景的學生以跨領域的方式介紹目前奈米生物技術，該課程包括醫學應用、生物分子、化學、工程技術、奈米偵測及奈米影像技術、微奈米機電系統等跨領域之課程，為滿足課程內容的深度及廣度，以跨學院之共教課程之方式進行，以不同的專業領域同時聚焦於生物醫學奈米技術，其主要的課題結合生物醫學之應用，並進一步探討其未來的發展。因此，本課程之安排除了一些半導體螢光奈米粒子其製造與應用､牙醫奈米材料與幹細胞､癌症與奈米生物技術､工程技術之生物分子偵測與基因奈米操控、生物單分子奈米診斷技術及蛋白構形形變奈米量測的基本原理和應用情形之外，並進一步了解蛋白質 unfolding 奈米操控術､蛋白質奈米力量測術､掃描探針顯微術､原子力顯微術､生物空間微定位技術、分子奈米薄膜表面自組裝技術、3D 橢偏生物奈米量測與診斷及重金屬奈米粒子在生物醫學上之應用，作為修課學生在將來生物與醫學科技或基礎生命科學之研究和應用上奠定良好的基礎。 (四)、奈米工程技術概論奈米科技將是下一波的工業革命，此科技應用層面甚廣，其學科範圍可劃分為：奈米物理學、奈米化學、奈米電子學、奈米生物學、奈米材料學、奈米機械學、奈米測量學而將來可能更易形成各式新興學科或科學，本課程將以理論貫穿實際應用，廣義的對奈米工程有基礎性的認知。 (五)、奈米科技導論本計畫於 95 學年上學期透過台灣大學開設之「奈米科技導論」課程，進行互動式遠距教學，分別與清雲科技大學、東南技術學院、北台技術學院及金門技術學院同步進行授課，並將上課內容後製為數位化的串流教學教材，期能透過網路的連結，提供更多的學子受惠。包含基本物理與化學背景，奈米材料製作與分析，奈米元件製作與應用，以及奈米科技對未來的衝擊等介紹。學習目標讓學生了解奈米科技這門跨領域學科的各種不同面相，包含基本物理與化學背景，奈米材料製作與分析，奈米元件製作與應用，以及奈米科技對未來的衝擊等，並幫助同學了解到跨領域科技整合與群體研究之重要性。本課程主要著重於新穎觀念的介紹，將不偏重理論分析與數學方程式推導。

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參、進度時程報告表

95 年度跨領域科技教育平台計畫—奈米科技子計畫工作進度報告表 工作項目 01 月 02 月 03 月 04 月 05 月 06 月 07 月 08 月 09 月 10 月 11 月 12 月 01 月 02 月建置奈米生物科技教學走廊 01 實驗室規畫配置 _{▓ ▓ ▓} 02 合作廠商進駐洽談 _{▓ ▓ ▓ ▓} 03 儀器設備採購 _▓ _▓ _▓ _▓ _{▓ ▓ ▓} 04 開放教學參觀、研究 _▓ _▓ _▓ _▓ _{▓ ▓ ▓ ▓ ▓} 發展互動式遠距協同教學模式 01 互動式遠距協同教學平台測試 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 02 互動式遠距協同教學合作學校洽談 ▓ ▓ ▓ ▓ 03 互動式遠距協同教學課程實施 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 多媒體數位教材開發與製作-微米/奈米流體力學 01 編輯單元教材內容 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 02 協同拍攝實驗流程 ▓ ▓ ▓ 03 協同修改動畫等素材 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 04 線上測試 ▓ ▓ ▓ 多媒體數位教材開發與製作-奈米工程概論彙整、分析教材資料 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 操作分解拍攝 ▓ ▓ ▓ ▓ 協同修改動畫等素材 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 線上測試 ▓ ▓ ▓ 多媒體數位教材開發與製作-奈米生物技術 01 課程內容錄製、收集 ▓ ▓ ▓ ▓ ▓ 02 線上測試 ▓ ▓ ▓

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肆、執行成果及績效

一、「奈米生物科技走廊」

為整合奈米生醫與奈米科技成為電機、工程領域與生命科學之橋樑，善用奈米機電系統研究中心，搭配微奈米系統製程教學實驗室、奈米人才培育實驗室中的原子力顯微鏡量測設備；另建置工程用奈米生醫實驗室，將奈米製程、奈米量測與生物醫學技術串連，成為「奈米生物科技走廊」，為國內首見結合奈米製程工程、生物醫學製備與技術之實作教學及跨領域展示走廊，希冀藉此跨領域學門的整合，建立從工程至生物分子、細胞以至生物體的尖端奈米科技與生物技術之完整跨領域結合。「奈米生物科技走廊」架構圖示：

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(一)、奈米機電系統研究中心 1、建置目的與遠景「奈米機電系統研究中心」建立完整的奈米科技與微機電系統之技術發展與教育訓練基礎架構；並以安全、環保、品質、服務的組織文化為基礎，透過公平公開的雙向溝通管道與互信機制，構成了完整的奈米科技與微機電系統資源網絡，在跨領域專業人才的培育、全方位培訓課程的規劃執行、多媒體數位學習的環境、及奈米線上資料庫的建立等各方面，均有豐富的資源與整合經驗。 2、實驗室特色奈米科技與奈微米機電系統為微機電系統技術之擴展，微機電系統技術主要以曝光顯影(Top-down)之半導體製程技術之轉變，從原先半導體以電子的特性為主要考量，轉向為各種物理量，如光、電、力、磁、熱、流、聲等之整合。 3、環境介紹奈米機電系統研究中心位於臺灣大學應用力學研究所 110 室，在奈米生物科技教學走廊中扮演「微機電系統製程」的角色。奈米機電系統研究中心之總面積約為 300 平方公尺。無塵室依照製程與量測上規劃的需要，總共分為四區，分別依序為「蝕刻室」、「黃光室」、「爐管室」以及「分析室」。並於臺大機械系設置系統設計室，面積為 36 m2，預計未來將在台大機械所及電機所內增加約 100 坪的空間。為建立開放實驗室制度，確保各系所師生及產業界有效利用本中心實驗室。以下依照四區域的功能做簡要的說明。 (1)、蝕刻室：蝕刻室內一般都有化學清洗槽與電磁加熱攪拌器，化學清洗槽主要是針對做奈米元件時會大量使用到的化學用品，在此槽中加以清洗。而電磁加熱攪拌器主要用於化學物品的加熱與攪拌。 (2)、黃光室：黃光室內的儀器包括光阻塗佈機、烘箱、加熱板、對準曝光機、以及化學清洗槽。在黃光室中，主要製作的方向為曝光顯影，所以黃光室中都有光阻塗佈機作為平均塗佈光阻；烘箱、加熱板則為固定光阻於試片上之用；對準曝光機主要做為曝光用；而化學清洗槽主要作為顯影時使用。 (3)、爐管室爐管室內的儀器一般都為「成長薄膜」及「乾式蝕刻薄膜」所添置的設備。其中成長薄膜的設備包括有：電子槍蒸鍍機、射頻濺鍍機、熱蒸鍍機、低壓化學氣相沉積系統、以及電漿輔助化學氣相沉積系統。而乾式蝕刻薄膜的設備包

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括有：反應離子蝕刻機、電感耦合電漿蝕刻機。 (4) 分析室分析室內的設備主要是針對已製作完成的元件作物理性與化學性之分析。儀器包括有：探針台、表面輪廓儀、薄膜量測儀、打線機、原子力顯微鏡。 (二)、微奈米系統製程教學實驗室 1、建置目的與遠景微奈米機電製程教學實驗室設置之目的在於讓學員能夠實地體驗微奈米系統製程，並動手做微機電相關實驗。過程中學員可以親身接觸在微奈米製程中被廣泛應用之光阻塗佈機與表面改質用的電漿清洗器。學員在製程完成後可進入實驗階段。在親自動手實驗的過程中可以更深地體認微奈米尺度與一般生活中公分、公尺等常用尺度的大小差異。且更進一步認識微尺度下物理現象。 2、實驗室特色目的為教導學生如何製成奈米生醫製程中基本生物晶片元件，包括微奈米流道、微混合器等相關元件，應用於微奈米流體現象之探討，教導學生細胞在微流體中相關特性。潔淨室入口更衣室分析室蝕刻室黃光室爐管室

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3、環境介紹微奈米系統製程教學實驗室位於臺灣大學應用力學研究所二樓 226 室，實驗室的設置目的是讓學員能夠實地體驗奈米系統製程，並動手做微機電相關實驗。在奈米生物教學走廊中，扮演「奈米系統製程」的角色，製成奈米生醫製程中基本生物晶片元件，例如：奈米微流道、微混合器等元件。微奈米系統製程教學實驗室之總面積約為 XX 平方公尺。微機電製程為避免空氣中懸浮粒子的影響，過程中需要保持無塵環境。因此進入實驗室須穿著無塵衣。無塵室共區分為兩大區塊，一為「可見光區」，另一區域為「黃光區」。 (1)、可見光區：在可見光區，學員可進行微機電實驗與電漿表面改質，實驗室中電漿清洗器作用就在於表面改質。在微機電製程中，電漿清洗器常被用於改變玻璃與 PDMS 等材質表面，使兩者在接觸時產生共價鍵結而緊密接合。 (2)、黃光區：在黃光區，現階段可用以旋轉塗佈光阻、PDMS 等材料。實驗室中現有一化學清洗槽與旋轉塗佈機。化學清洗槽提供一般自來水水源與壓縮乾燥空氣，製程中可用於清洗與乾燥晶片表面。旋轉塗佈機的用途在於利用高速旋轉產生的離心力將光阻、PDMS 等化學物質均勻塗抹於基材表面。此一步驟在半導體製程中亦是常見且重要的一環。本實驗室提供讓學員動手做 Y 字型微流道結構的製程訓練，在 Y 字型微流道中注入螢光染劑與水，透過顯微鏡搭配電腦觀察螢光粒子在微流道中由局部擴散至整個流道的過程，學員可用自行製作的微流道進行微尺度下分子擴散的觀察實驗，在親自動手實驗的過程中更深地體認微奈米尺度與一般生活中公分、公尺等常用尺度的大小差異，且更進一步認識微尺度下物理現象。微奈米系統製程教學實驗室配置圖如下：

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(三)、奈米生醫實驗室 1、建置目的與遠景生醫奈米實驗室位於台灣大學應用力學所二樓 202 室，本實驗室將提供生物樣本之培養、製造及儲存空間，在奈米生物教學走廊中，扮演跨領域學門整合的角色，建立完整跨領域從工程至生物分子、細胞以至生物體的教學示範中心。 2、實驗室特色跨領域奈米生醫製程實驗室，與工程領域整合，並藉由此跨領域學門的整合，建立完整跨領域從工程至生物分子、細胞以至生物體的教學示範中心。重點在工程與生物醫學領域之實際整合，將國人主要的生醫相關疾病之預防、檢測及治療，以最有效之方式引導進入奈米機電領域，以促使生醫研究、奈米機電、臨床實際應用至生醫產業達到最佳之組合。 3、環境介紹生醫奈米實驗室之總面積約為 40 平方公尺，可容納一般生物實驗室所需設

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備，也可提供成教學及研究所使用。而在本實驗室中規劃分別是細胞培養室、微生物操作區、分子生物操作平檯、實驗準備區及樣品低溫存放區共五大區域，可提供基礎生醫實驗進行空間，扮演跨領域整合的重要角色。（1）、細胞培養室細胞培養室內擺放生物無菌操作台、二氧化碳培養箱以及光學顯微鏡，可提供無菌環境進行細胞實驗操作。平時則以紫外光維持培養室內的無菌狀態，使細胞能免除微生物及其他因素污染。細胞培養室-生物無菌操作台、二氧化碳培養箱、光學顯微鏡組（2）、微生物操作區：微生物操作區擺放生物無菌操作台及接種器具，本區域可操作微生物相關實驗；此外也擺放微生物培養箱，可進行靜置及震盪培養，依照微生物特性調整培養環境狀況，使微生物能在最合適狀況下生長。微生物操作區-生物無菌操作台、旋轉式震、盪培養箱（3）、分子生物操作平檯：分子生物操作平檯目前內含低溫高速離心機、桌上型微量離心機、試管震

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盪器，目前能進行簡易細胞分離及菌株震盪均質效果；此外，本區所裝設的超純水系統，能提供細胞培養、微量分析及緩衝液配置用水，使在實驗用水方面無疑慮。分子生物操作區實驗準備區（4）、實驗準備區：實驗準備區主要是存放實驗用藥品及實驗性耗材器具，儀器方面有電子天枰、精密天秤、酸鹼值測定器及電磁攪拌器，可用於配置藥品及培養液；此外，本區也設有高壓殺菌釜及熱風循環烘箱，可處理生物性廢棄物及無菌器具的準備。（5）、樣品低溫存放區：樣品低溫存放區主要是存放需低溫保存的藥品、菌株、細胞株及各種生物性樣本。本區儀器有超低溫冷凍櫃、雙溫冰箱及液態氮儲存桶，可依不同的樣品特性儲存在不一樣溫度環境，使樣品能在最合適溫度下長時間保存。樣品低溫存放區-超低溫冷凍櫃、-20℃冷凍櫃、液態氮儲存桶

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(四)、奈米人才培育實驗室 1、建置目的與遠景提供兼具有教學、實驗與展示的功能之奈米科技人才培育實驗室，作為ㄧ個連接奈米科技的實體平台，藉由原子力顯微鏡(AFM)的操作使用，使學生實際體會奈米世界神奇的現象，也希望能藉由原子力顯微鏡的培訓，不僅將「看不見」的奈米科技導入學校課程之中，更能使奈米科技「實質化」；提昇大眾科普教育之素養，以期能輔助國家發展所需之人才培育的各項措施，積極快速的臻至最理想的境界。 2、實驗室特色本實驗室設備提供網路支援，可以進行遠端遙測原子力顯微鏡的機制，將知識傳遞與實驗操作以即時方式呈現，是電子知識交換平台建立時的目標與特色。 3、環境介紹奈米科技人才培育實驗室位於臺灣大學應用力學研究所二樓 200 室，在奈米生物教學走廊中，扮演提供「奈米量測」的角色。奈米科技人才培育實驗室之總面積約為 36 平方公尺，可容納三部以上 AFM 機台以及相關設備，同時供教學展示之用。在實驗室中另規劃有師生討論區、教學教案展示區、多媒體展示區等相關教學區域，詳如附圖。

奈米生醫實驗室配置圖

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（1）、教學教案展示區：教學教案展示區中陳列有原子力顯微鏡樣本、多種奈米材料、奈米科技教育出版品及互動光碟。（2）、師生討論區：師生討論區中備有討論桌及投影機等設備，提供舒適的討論環境。（3）、多媒體展示區：多媒體展示區中設置有原子力顯微鏡操作區、海報展示區以及電腦檢索區。在此區可先由海報說明，讓參觀者對原子力顯微鏡稍加了解，並可透過實際操作體驗，原子力顯微鏡下各樣本奈米結構的奧妙之處。使用操作過程中，若有任何資訊需要檢索，亦可隨時使用電腦檢索區搜尋相關資料。教學教案展示區師生討論區多媒體展示區（4）、實驗操作區

實驗室內的原子力顯微鏡，簡稱 AFM(Atomic Force Microscopy)，提供奈米結構表面形貌量測的功能。AFM 可取得奈米尺度以下之 3D 立體圖像，經由 AFM，我們可以清楚的看到樣本的 3D 奈米結構。

樣品展示區

機台教學區域

海報展示區

討論區

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舉例而言，用眼睛直將觀看 DVD 光碟片，只能看到光碟片的表面像一面紫色的鏡子，有著彩虹般的光芒。但當使用 AFM 顯微鏡觀察 DVD，我們會發現原來 DVD 光碟片的表面比月球表面更佳凹凸不平。這些凹凹凸凸的點就是我們用來儲存數位信號 0 與 1 的位置。本實驗室之 AFM 亦可透過遠端搖測方式來掃瞄樣本，讓使用者不需到現場，也能親手操作原子力顯微鏡。實驗操作區-原子力顯微鏡遠距教學設備 4、成果（1）、參觀人數 ¾ 對外開放校外教學及參訪活動： 2006 年奈米科技人才培育實驗室陸續提供學生或教師進行實作及培育的訓練，至今已有淡江大學、台北教育大學、東南技術學院、中華技術學院、師大附中、北一女、麗山高中、宜蘭高中、新店高中、天母國中等四百餘名師生來訪。對外開放校外教學、參訪活動，亦提供外國學者來了解國內奈米教育狀況奈米生物科技教學走廊環境介紹

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原子力顯微鏡原理介紹及示範操作 ¾ 舉辦奈米科技教育師資培訓及晶圓蝕刻實作訓練課程：奈米人才培育為求能迅速提供我國發展奈米國家科技計畫所需之人才，首要任務為建立全方位的奈米科技人才之培育機制，2006 年已有 202 位國小、國中和高中教師藉由編撰一系列之奈米相關教材及舉辦教師研習營的方式，透過將奈米相關知識轉化成淺顯易懂的知識以激發學生的學習興趣，進而將奈米科技人才培育向下延伸至 K-12 教育階段。晶圓蝕刻實作訓練課程更與「奈米機電系統研究中心」，藉由晶圓實做的課程，讓參與者實際體會微機電製程的過程，進而協助其奈米教學的深度及廣度，今年有新店高中、大安高工、北一女、民族國中、敦化國小、興南國小等 30 餘位教師參與。師資培訓及晶圓蝕刻實作訓練課程

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（2）、遠距實驗在遠距協同教學「奈米生物技術」課程中，普遍工科技職學生對於奈米科技在生物領域之應用有所疑問，為了能夠解決學生疑慮並加深學生印象，決定在課程規劃中，將安排三小時的遠距教學實驗課程，讓收播學校的學生藉由網路直接應用光學及原子力顯微鏡進行樣品各尺寸觀察。 2006 年 11 月 15 日，於奈米科技人才培育實驗室進行了第一次遠距實驗課程。參與的學校有-海洋大學電機所、清雲科技大學機械系、金門技術學院機電所、澎湖科技大學食科系及聖約翰科技大學食科系等五系所進行授課。過程中先撥放多媒體數位教材-原子力顯微技術」、「原子力顯微鏡示範操作」，使遠端學習者能由淺至深對原子力顯微鏡有基本認識，並且搭配使用原子力顯微鏡對 CD 及 DVD 進行表面量測，加深學習者瞭解尺度大小對生活的重要性，並對原子力顯微鏡應用層面有所認識。實驗中也對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌進行原子力顯微鏡及光學顯微鏡觀察，並記錄下菌種生長分裂狀況。使學習者能由不同的尺度觀察細菌形貌，並即時觀看生物活性的成長畫面，暸解奈米科技對生物技術發展的效益。（五）、結論目前結合「奈米生物科技走廊」已完成「微流體之擴散作用」、「被動式混合於微流道中之特性探討」、「原子力顯微鏡影像掃描實驗」、「奈米探針力－距離曲線量測實驗」等單元實驗教材完成，學習者透過此教材實際操作及運用，以「做中學」之方式加深其對奈米科技的體認，未來「奈米生物科技走廊」將提供一系列整合型實驗室，提供學習者從奈米量測、製程技術與生物科技等完善的奈米科技學習管道。「奈米生物科技走廊」提供新的思維方式，，讓技職學校師生或是其他公私立大學有意朝此方向發展，皆有先例可循。希望經由走廊的建立能夠提昇大眾科普教育之素養，同時輔助國家培育所需的奈米生物科技人才，未來本走廊除將持續提供工程與生醫之跨領域教學實作展示外，並將作為教材製作中心，帶領大家進入尖端奈米科技的領域。

二、發展互動式遠距協同教學模式

為降低南北部甚至離島地區學校因城鄉落差以致教學資源無法集中，透過國家高速網路與計算中心研發之互動式遠距協同教學平台，並結合奈米國家型科技計畫，共同推廣互動式遠距協同教學模式，使得大專教育得以經由現代科技之輔助，藉由網絡的鏈結充份整合各區域奈米米科技教學資源，俾使學生不再侷限於區域的限制，增進奈米科技相關知識的學習。

(25)

(一)

、

執行成果與規畫在第一年執行計畫中，已成功進行互動式遠距協同教學模式，94 學年上學期由台灣大學開設「奈米生物技術」進行互動式遠距協同教學，同步接收課程的合作學校包括清雲科技大學及離島學校金門技術學院、澎湖科技大學，修課學生達 140 餘位。 95 年持續進行拓展互動式遠距協同教學模式，台灣大學開設「奈米工程技術概論」、「奈米生物技術」、「奈米科技導論」三門遠距協同教學課程，分別與海洋大學、澎湖科技大學、清雲科技大學、聖約翰科技大學、金門技術學院、東南技術學院、北台技術學院、德霖技術學院、中華技術學院等校進行遠距教學同步授課，共計有 560 餘名學生選修，達成奈米科技資源共享的成果。 96 年度互動式遠距協同教學除了「奈米工程技術概論」之外，另增加「奈米醫學與力學」及「固態電子學」等課程，預計將有百餘名學生選課。 1、奈米工程技術概論奈米科技將是下一波的工業革命，此科技應用層面甚廣，其學科範圍可劃分為：奈米物理學、奈米化學、奈米電子學、奈米生物學、奈米材料學、奈米機械學、奈米測量學而將來可能更易形成各式新興學科或科學，本課程將以理論貫穿實際應用，廣義的對奈米工程有基礎性的認知。本課程包含單元：基礎理論、奈米製造：奈米材料與結構及奈米生物感測器、奈米量測、奈米組裝與操控、奈米生醫應用及奈米操控，且結合業界專家及國家研究單位，針對奈米機電及奈米力學、奈米加工技術應用、基礎奈米科學與尖端研究技術、奈米技術於半導體步進機之應用、奈米科技產業化與奈米場發射顯示技術作專題演講。學習目標 (1)瞭解奈米科技的應用領域。 (2)熟悉各種奈米量測儀器的掃描方法及光路設計原理。 (3)了解奈米材料的分類、結構及量測方法。 (4)熟悉各種奈米基礎理論，進而解釋光的波動本質與粒子在傳播的特徵。 (5)明白奈米操控(奈米鉗子、奈米碳管夾子)與奈米定位的應用。 (6)熟悉奈米組裝系統的基本構造。 (7)明白各種奈米操控(AFM、SPM)的方法。 (8)明白國內與國際奈米未來發展的趨勢方向和未來挑戰。 2、奈米生物技術

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本課程之開設主要是針對工程領域背景的學生以跨領域的方式介紹目前奈米生物技術，該課程包括醫學應用、生物分子、化學、工程技術、奈米偵測及奈米影像技術、微奈米機電系統等跨領域之課程，為滿足課程內容的深度及廣度，以跨學院之共教課程之方式進行，以不同的專業領域同時聚焦於生物醫學奈米技術，其主要的課題結合生物醫學之應用，並進一步探討其未來的發展。因此，本課程之安排除了一些半導體螢光奈米粒子其製造與應用､牙醫奈米材料與幹細胞､癌症與奈米生物技術､工程技術之生物分子偵測與基因奈米操控、生物單分子奈米診斷技術及蛋白構形形變奈米量測的基本原理和應用情形之外，並進一步了解蛋白質 unfolding 奈米操控術､蛋白質奈米力量測術､掃描探針顯微術､原子力顯微術､生物空間微定位技術、分子奈米薄膜表面自組裝技術、3D 橢偏生物奈米量測與診斷及重金屬奈米粒子在生物醫學上之應用，作為修課學生在將來生物與醫學科技或基礎生命科學之研究和應用上奠定良好的基礎。學習目標 (1)了解目前奈米生物技術包括醫學應用、生物分子、化學、工程技術、奈米偵測及奈米影像技術、微奈米機電系統等跨領域等議題。 (2)了解奈米操控術、掃描探針顯微術、生物奈米量測與診斷等，及其在生物醫學上之應用 (3)奠定奈米科技將來在生物與醫學科技或基礎生命科學之研究和應用 3、奈米科技導論讓學生了解奈米科技這門跨領域學科的各種不同面相，包含基本物理與化學背景，奈米材料製作與分析，奈米元件製作與應用，以及奈米科技對未來的衝擊等，並幫助同學了解到跨領域科技整合與群體研究之重要性。本課程主要著重於新穎觀念的介紹，將不偏重理論分析與數學方程式推導。學習目標 (1)了解量子論、固態科學的原理及運用 (2)了解奈米材料製作與化學特性 (3)明白奈米材料與物性分析技術 (4)奈米元件及其應用並洞悉奈米科技未來展望 (二)、遠距教學課程接收模式基於各遠距合作學校視訊設備的差異，經由國網中心的技術支援，在聲音及影像的傳送，已發展三種方式進行收播遠距教學課程，分述如下： 1、單投影幕：透過國網中心的技術支援，將講師及講義畫面的訊號整合為一組訊號投影呈現。

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2、雙投影幕：將講師及講義畫面的訊號分別獨立投影呈現。 3、一人一機：藉由校內已建置之電腦教室，進行遠距教學。 (三)、遠距教學實施現況聲音的傳遞與學生的回饋在互動式遠距教學扮演極重要的角色，在遠距教學實施的過程中，不僅主播端學生可現場發問，遠距連線的學生，也可透過互動式遠距教學系統，向授課教授提出問題，並立即獲得解答。「奈米科技導論」課程上課實況(上圖為主播端，下圖為收播端) (A)單投影幕 (B)雙投影幕 (C)一人一機圖為各校選修學生透過遠距教學系統提出問題，由台大授課教授解答

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「奈米生物技術」課程上課實況(上圖為主播端，下圖為收播端) (四）、遠距教學實驗今年首次於互動式協同教學上中結合實驗課程，運用「奈米生物科技走廊」中實驗室，透過原子力顯微鏡觀察細胞培養的實驗過程，經由遠距互動式即時影音傳輸，遠端學習者可如身入其境的觀察到奈米結構及細菌生物活體(大腸桿菌、金黃葡萄球菌)的成長畫面，配合現場解說，讓學習者更瞭解整個實驗中的各種現象。

三、遠距教學實驗

遠距教學實驗為『奈米生物技術』課程其中一週的內容，運用「奈米生物走廊」

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中，奈米生醫實驗室細胞培養的功能，結合原子力顯微鏡量測設備，經由遠距互動式即時影音傳輸，遠端學習者可透過顯微鏡下的實驗觀察到奈米結構及細菌生物活體 (大腸桿菌、金黃葡萄球菌)的成長畫面，配合現場解說，讓學習者更瞭解整個實驗中的各種現象；另一方面，亦將其實驗步驟、流程，透過課程教學與實作的交互運用，也可作為虛擬實驗教學及展示實體中心，補足其他學校教學資源不足之處。以『奈米生物技術』的架構，規劃加入虛擬奈米生物科技實作課程，該實驗內容以大腸桿菌與金黃葡萄球菌為活性之生物樣本，細菌其形態為：球菌、桿菌、螺旋菌，其特色為皆為20~30 分鐘，即分化為下一代，在一堂課程的時間內即可觀察其細胞指數成長分化的群聚效應，非常適合作為課程即時觀測的活性樣本。其中課程內容之規劃如下表，配合顯微操控與奈米量測透過影像即時傳輸及現塲講解，提供遠端的學習者。遠距實驗課程能讓學生化解課堂中的疑慮，並更貼近認識奈米科技相關知識及技術，而非只是紙上談兵的階段；而奈米生醫實驗室在課程中提供細胞培養空間及樣品準備的場所，讓課程能夠順利完成。課程內容： 1. 原子力顯微技術介紹(播放數位教材，跨領域科技教育平台製作) 2. 原子力掃描操作示範(CD 及 DVD 的差異) 3. 大腸桿菌、金黃葡萄球菌介紹 4. 比較大腸桿菌、金黃葡萄球菌在各尺度下的差異 5. 原子力顯微鏡下的大腸桿菌、金黃葡萄球菌 6. 光學顯微鏡下的大腸桿菌、金黃葡萄球菌 7. 即時監控大腸桿菌、金黃葡萄球菌生長情形實驗觀察技術大腸桿菌金黃葡萄球菌初級: 一般顯微鏡群聚與成長之活性觀察群聚與成長之活性觀察高級: 原子力顯微鏡電子掃描顯微術單顆之奈米觀察單顆之奈米觀察

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沈弘俊教授、黃榮山教授講解原子力顯微鏡掃描過程遠距學校亦可同時看到顯微鏡掃描畫面助教介紹原子力顯微鏡原理及示範操作電腦中可看到收播學校上課狀況與講義分享畫面遠距學校收播狀況遠距學校收播畫面

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DVD 及 CD 原理介紹及比較

Feature DVD CD

Substrate diameter / thickness (mm) 120 / 1.2 120 / 1.2

Sides 1 or 2 1

Layers per side 1 or 2 1

Capacity (GB) 4.7, 8.54, 9.4, 17 ~ 0.7 Track pitch (microns) 0.74 1.6 Min pit length (microns) 0.4 - 0.44 0.83 Laser wavelength (nm) 635 or 650 780

Numerical aperture 0.6 0.45

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比較光學顯微鏡、電子掃描式顯微鏡、原子力顯微鏡下的大腸桿菌形貌

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現場經由原子力顯微鏡掃描下的大腸桿菌及黃金葡萄球菌

即時監測大腸桿菌生長情形

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四、多媒體數位教材開發與製作

(一)、微米/奈米流體力學本課程架構圖示：一、微米/奈米流體的觀念微小化理念微流體特性相關物理觀念四、微流元件應用微流網路探討細胞裂解二、微米/奈米流體的物理觀念重要無因次參數壓力驅動微流特性微混合特性介電泳特性交流電滲流特性三、微流元件的製作與量測光微影與軟微影概論微流道製作—光微影與軟微影製程微流道製作—雷射雕刻機製程微流量測

微

米

/

奈

米

流

體

力

學

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本課程內容主要在探討流體力學應用於微米/奈米尺度時之特性。生物科技已成為廿一世紀的重要領域，可以預期對人類醫學的發展有長遠的影響，而人體中約 60%為液體，可知流體力學應用在微米/奈米尺度之重要，對 DNA、蛋白質、細胞、新藥物研發、化學反應等都扮演重要角色。本課程將對微米/奈米流體力學及應用做介紹及探討。 94 年度已完成共五個數位化單元教材，分別為：「壓力驅動徵流特性」、「介電泳」、「光徵影與軟微影」、「徵流道製作-光微影與軟微影製程」、「微流道製作-雷射雕刻機製程」等。 95 年度繼續完成「微小化理念」、「微流體特性」、「重要無因次參數」、「交流電滲流特性」、等四個單元電子書教材及教學實驗。本課程預期目標效益： 1.學會微米/奈米流體的概念 2.學會微米/奈米流體相關的物理觀念 3.學會流體元件的製作與量測 4.學會微米/奈米流體應用於生物醫學領域的相關議題

第 1 單元微流體特性

微流體趨勢與優點 微流體技術是以微機電系統為基礎，處理尺寸介於毫米至微米之間的液體、氣體、電、機械結構、細胞與分子等，一般微流體的管道，大約相當於一根頭髮的直徑大小，尺度約50 至百餘個微米。微流體晶片有兩大著名優點，一是節省非常昂貴的試劑且縮短檢測時間；二是操作簡便而且有更可靠的結果。試想，若是能在醫院裡用一片相當於眼鏡片大小的生物晶片即可以檢驗出身體的疾病和健康狀況是多麼方便和有趣的事情，僅要幾滴血液或是些許尿液，醫驗人員不再需使用繁雜的流程，僅需要幾分鐘，即可將結果驗列表出來給病人，這大大地節省了寶貴的醫療資源又提昇了相當的醫療服務品質，因此此領域研究前景看好，晶片所帶來的商機也是無限，近年來國內研究逐漸增加比重於疾病診斷、個人保健等方面，相對的在這領域的新研究也蓬勃發展。然而要踏入微流體世界，首先得對微小世界的新物理有所了解才能更進一步地認識它與運用它。 1-1 微小化的理念 物體微小化後所帶來的並非都是益處，所謂尺有所短，寸有所長，適時地使用適當的工具才是恰到好處；上帝創造人類，為我們設計的雙手，手掌的大小非常適合拿一顆蘋果，但是要拿起一顆綠豆就費神了，然而檢起細針更是件不怎麼容易事。上帝給了人類智慧，讓人們可以思考和創作，因此筷子、叉子這些飲食的基本器具得產生，雙手十指利用筷子夾綠豆小的的物體是變的容易許多；然而像細胞和分子等肉眼無法直接觀察

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的微小物體，我們就無法直接去操控他們，我們今天所要探討的微流體，即是處理細胞和分子液體等級大小的尺寸。現今科學家藉由微小化的工具當做橋樑，像是利用釐米和微米的微小元件來達到操控和處裡細胞和分子的途徑，即是微流體科學所要做的事。微小化理念的所要提供的昰在進入微小化世界之前，先對大自然裡已經存在比人類歷史更悠久的微小世界有基本的認識。 1-2 尺度概念 微米、奈米有多小？看的見，摸的著嗎？米即是公尺，是大家很熟悉的尺度，而微米代表百萬分之ㄧ(10-6)米，奈米則是十億分之ㄧ(10-9)米。進入微觀世界前，要先對尺度有所概念，藉著以下不同尺度的相對應物體，可讓讀者一目瞭然。 1 圖1-2-1 生物尺度的對比若把地球直徑定為一米，則摩天輪的直徑為微米等級，而彈珠直徑為奈米等級！實際尺寸 ~12756 公里 ~50 公尺 ~1 公分

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相對尺度 1 米 ~微米 ~奈米

圖1-2-2 放大與縮小尺度的對比

另一個值得一提的面積體積比(surface to volume ratio)概念，也常在微小尺度下扮演著重要角色。你可有想過細胞尺寸為什麼要在數微米至數十微米這個等級嗎？以運輸氧氣的紅血球為例，他必須要在最有效率的方式下交換氣體，因此大量的表面積才足夠應付這龐大的需求，所以紅血球的尺寸大約6~8 μm，至於為什麼縮小體積可以增大表面積呢？我們來看以下的例子：圖1-2-3 立方體尺度的對比由於正立方體之面積為六倍邊長平方，而體積為邊長立方，因此隨著邊長加大時，面積體積比反而會變小若假設現有100 μm 邊長之正立方體紅血球材料，分別以邊長 50 μm、20 μm、10 μm 來切割，可發現單位面積體積比逐漸變大，而且累積的總面積最終比原本面積大了10 倍！如圖所示。地球摩天輪彈珠

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邊長100 μm 正方體，總體積為 1,000,000(μm)3 圖1-2-4 立方體切割數和尺度的對比切割邊長切割個數單位總面積單位面積體積比切割後總面積 100　m 1 60,000(μm)2 0.06 60,000(μm)2 50　m 8 15,000(μm)2 0.12 120,000(μm)2 20　m 125 2,400(μm)2 0.3 300,000(μm)2 10　m 1000 600(μm)2 0.6 600,000(μm)2 1-3 常見的例子 1-3-1 螞蟻的舉重比賽-你能舉起自己十倍的重量嗎? 圖1-3-1 螞蟻與搬運物的尺度對比你是否看過螞蟻抬著比自己大數倍重的東西行走呢？看似誇張的舉動，竟是尺寸效應的表現！在抬重物時，由於腿部的支撐能力與腿的截面積(長度平方)成正比，而身體的重量則是與體積(長度三次方)成正比，因此如果我們把舉重能力與自身重量相比，則呈現與尺度成反比的結果，即 (L) 1 ) L ( ) L ( 3 2 長度自身重量腿部截面積 _∝ ∝ ∝ 式 1-3 舉例而言，若一個人本來可以舉起剛好自己重量的重物，把他等比例縮小十倍後，他卻能舉幾自己身體重量十倍的物體，這便是螞蟻能夠舉幾自己身體數倍重物的最佳佐證。另一方面，當尺度變大時，為了支撐身體的重量，腿部面積的比例必須增大才足以

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負荷身體的重量，如大象、犀牛等，其腿部相對於其他動物而言較為粗大。 1-3-2 蜘蛛絲與微小世界 蜘蛛絲為已知最強韌的蛋白纖維，根據研究資料，蜘蛛縱絲的拉伸強度是同直徑鋼絲的5 倍，蜘蛛絲的直徑約只有人髮的約1/10 寬，卻比同樣重量的鋼絲還要強韌好幾倍。如果接受拉力實驗，扯斷蜘蛛絲所需的能量比扯斷鋼絲的能量大上百倍，且可以延伸原本長度五分之一多而不會斷裂，若蜜蜂以30 公里的時速撞上蜘蛛絲，它會恢復原狀且不變形，若是將蜘蛛絲換算成鉛筆大小直徑，其強度和韌度將可以攔下 747 巨無霸客機。蜘蛛絲是令科學家們稱羨的，它是生物界中最具韌性之蛋白質纖維，具有輕量、柔軟、彈性、生物可分解與自我組裝和修補等特性。然而蜘蛛絲的化學成分非常的複雜，目前以人工方式難完全合成或複製。科學家慢慢了解其材料結構，因其多種優點歸功於奈米尺度下蛋白質分子間吸引力的貢獻。分子間的氫鍵引力與蛋白質三級構造摺疊的適當的排列，造就這現今人類尚無法以人工方式合成能與之抗衡的纖維。圖1-3-2-1 蜘蛛絲纖維 STM 圖(引用自 www.kth.ed.jp 網站) 圖1-3-2-2 1996 蜘蛛絲蛋白結構 1-3-3 水黽 水黽是校園水池裡最容易看到的生物，很多人都是對他能浮在水面行走感到好奇，其實這都得歸功於水的表面張力。水黽本身質量就很輕，體長約22mm，因為尺度效應讓

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他的體重與本身體積比減小很多，相當於身高兩米的100 公斤的人變成僅有 0.1 公克而已，又因為水黽腳上有含油質的毛氈，有疏水效果，所以可輕易浮於水面。水分子在所有液體中的表面張力是屬張力最大的一種，約有72．8 達因每公分，足可托住水黽的體重，影響表面張力的因素有很多種，例如: 溫度、化學物質，電荷等。根據科學家表示，水黽在水面移動的速度大約每秒可以達1.2 公尺，雖然感覺並不覺得很奇怪，若是將水黽換算成人的比例，水黽的移動速度將高達每小時三百多公里，足以媲美將要起飛的飛機與台灣的高速鐵路。圖1-3-3 水黽的構造 1-3-4 出淤泥而不染的秘密-蓮葉效應(lotus effect) 圖1-3-4 顯微鏡中的蓮花與水滴接觸面中國北宋理學大師周敦頤獨愛蓮花之「出淤泥而不染」，這詞彙常用來形容文人的

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風骨高潔，不因環境而污濁；九個世紀後，西方科學家秉持著科學的精神，探究到底，揭開了這個秘密，並稱之為「蓮花效應」。很多人認為蓮葉之所以不沾汙，是因為表面非常光滑，然而如果你利用高倍率顯微鏡觀察蓮葉表面，一顆顆奈米等級的凸起物，會讓你懷疑起自己的眼睛。沒錯，這一顆顆大約一奈米大小的微細纖毛結構，就是出淤泥而不染的秘密！這些細微結構是由表面蠟組成，形成非常疏水的表面，水珠在蓮葉上變得非常不穩定，可隨著微風而滑動；也由於這些奈米尺度的表面，使髒汙站立在表面上而非鑲嵌在縫隙裡，一旦珠滑動，便可以帶著髒汙離去，達到自潔的效果。蓮葉效應之商機無限。你可想像洗車僅用清水沖洗就可恢復出廠的光亮，瓷磚、馬桶再也不需刷洗的世界嗎？德國巴斯夫集團(BASF group)發展出一種氣溶膠噴劑，可將奈米顆粒以及疏水聚合物噴塗在物體表面，由於疏水性奈米結構的蓮葉效應，可達到自我清潔的效果。這種利用自然界的智慧所發展的技術，逐步將微觀世界的奧秘引入人們的生活中。 1-3-5 壁虎的爬行秘密 6-9 圖1-3-5 微米世界中的壁虎電影「蜘蛛人」滿足了人們飛簷走壁的幻想，然而日常生活中，壁虎卻將這個技能發揮的淋漓盡致。是什麼原因讓壁虎可以在幾乎任何表面暢行無阻，以每秒一公尺的速度恣意攀爬呢？西方古希臘哲學家亞里斯多德曾經仔細觀察壁虎的爬行行為，依舊對於他特殊的爬行能力大感疑惑，直到近年來科學家對壁虎的研究，才逐漸體會自然界賦予壁虎的精巧設計。許多生物爬行是靠化學粘著的方式，然而壁虎爬行過後沒有留下任何黏液；有些則是靠著機械力作用爬行，但是壁虎腳指也無任何利爪，因此上述兩者都不足以解釋這個特殊能力。動物學家利用高倍率顯微鏡，發現壁虎的腳指呈現三個層次的結構，首先是軟質脊狀構造的皮瓣(lamella)，使壁虎腳指可以輕易的貼合不平整表面；剛毛(seta)是鑲

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嵌在皮瓣裡的角質素毛髮，長約頭髮直徑兩倍，直徑約為頭髮直徑的一半，平均每隻腳上分布著50 萬根剛毛，可輕易捲曲而伸入不平整的凹洞裡，提高接觸面積；剛毛尖端則有更細小的肉趾，是謂匙突(spatula)，長度大約 200 至 500 奈米，而這壁虎腳上總共約莫十億根的匙突所累積的分子間吸引力(凡得瓦力)，據估計可以承受 40 公斤的重量，正是壁虎得以飛簷走壁的秘密武器。未來人造壁虎貼布的上市，將改變人們對膠帶的認知。目前科學家正致力於發展壁虎貼布，也可想像成是單邊的魔鬼氈，主要就是必須製作出許多奈米等級的微小彈性纖維，可任意貼附在物體表面，靠著累積的凡得瓦力造成吸附，達到高強度黏性，卻不需任何黏膠的神奇貼布，而且表面不會髒，可重複使用的優點，將會令人極度震撼！ 1-4 參考文獻

1. Scheller, J., Grosse, F. & Conrad, U. Production of spider silk proteins in tobacco and potato. Natrue Biotechnology. 19, 573-577 (2001).

2. Bettye L. Smith et. al, Molecular mechanistic origin of the toughness of natural adhesives, fibres and composites, Nature399, 761 - 763 (1999)

3. Paul Calvert, Materials science: Silk and sequence. Nature. 393, 309-311 (1998) 4. Foelix, R., Biology of Spiders, Oxford University Press, Oxford (1996)

5.Lazaris, A. et al, Spider Silk Fibers Spun from Soluble Recombinant Silk Produced in Mammalian Cells, Science 295, 472-476 (2002).

6.和田邦身，以生物科技開拓 21 世紀纖維，纖維工學，Vol.54, No.1, 2001 7.蜘蛛絲特性與仿生纖維之發展，台灣人纖工業會訊，第十六期，2001 8.廖建勛，蜘蛛絲簡介，化工資訊月刊，Vol.46，1999

9.科學人 http://www.sciam.com.tw/circus/circusshow.asp?FDocNo=155&CL=8

10. Neil A. Campbell, Biology : concepts & connections, 4th ed. (Benjamin Cummings, San Francisco, 2003).

11. http://www.mhhe.com/biosci/esp/2001_gbio/folder_structure/ce/m2/s1/. 12. http://tech.sina.com.cn/d/2005-01-10/1621499696.shtml.

13. http://lotus-effect.de/.

14. W. Barthlott and C. Neinhuis, "Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces," Planta 202 (1), 1-8 (1997).

15. 工業技術研究院工業材料研究所, 奈米，不是啥稀米. (天下文化, 2005). 16. http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/781611.stm.

17. K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh et al., "Adhesive force of a single gecko foot-hair," Nature 405 (6787), 681-685 (2000).

18. http://lclark.edu/~autumn/PNAS/.

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液體有兩種流動形態：層流和紊流。紊流較利於混合，無奈微流道中的流動多屬層流。本單元自層流與紊流的介紹始，說明微流道中為何難以引發紊流以及解決的方法。要了解這些現象，須借重表面對體積比的觀念。這些努力都是為了促進混合在微元件平台中的進行。另一方面，當流道尺寸小到微米尺度，流體不僅會受流道內的液壓差而流動，也會受外加之電場、不同物質的介面所產生之介面效應影響而流動。因此一併介紹微流體中常見的電動力學和介面相關現象，例如電滲流、電泳、介電泳及表面張力、潤濕作用和毛細現象。

2-1 微流道中的層流 (Laminar Flow in Microchannel) 微流道中的流動狀況如下圖2-1 所示：圖2-1 流動中微流道中的流體使用兩道不同顏色的流體，並觀察其交介面，可知幾乎沒有垂直於流道的速度分量。這樣穩定的介面可以從上游一直延續到數公分後的下游，且幾乎無關於速度。這種層與層不相互混雜的現象，正如其名－層流－展現出的意涵。流體在流道中大致受兩種力的作用：慣性力和黏滯力。前者來自幫浦或其他來源的驅動，作用在質心，是一種體作用力；後者則源於不同物質的交界面，如液體與流道壁或是兩種液體相交處，是一種面作用力。從第1 單元得知，當物體的邊長越小，表面對體積比越大，即面相對於體，隨著尺度漸小重要性漸增。故在微流道中黏滯力的影響勝過慣性力，偏好產生層流。更進一步的說明，可見第4 單元雷諾數一節。

2-2 在微流道引發紊流 (Induce Turbulent Flow in Microchannel)

紊流，又稱湍流。相對於層流，紊流中不只層與層相互混雜，其流動模式複雜且千變萬化。因為紊流中的物質交換效率很高，非常適於混合的進行。生活中，只要將水龍頭開小或開大，就可見層流和紊流交互出現。如上一節所述，微流動多屬層流。要在微流道中引發紊流需要下點功夫，例如，注入側向流、使用流速隨時間變動的非定常效應(unsteady effect)或是從外部輸入能量等。詳情請見下一節。關於層流與紊流的細節，請參照本單元參考文獻2。流動方向

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2-3 .混合 (Mixing) 混合是良好化學反應的必要條件。反應物唯有經過徹底地混合，才能達到高效率的反應。但從2.1 節可知，微流道中常見的層流並不利於混合，使得混合成為微流系統中亟待處理的議題。本節將先比較生活與微世界的混合，接著是混合必須藉助的布朗運動和擴散，最後談談微流元件中常用的混合技巧。 2-3-1 生活中與微世界中的混合 常喝咖啡的人都知道，要快速地讓咖啡和奶精混合，拿個攪拌棒攪攪就成。生活中的紊流其實唾手可得，厲害的人一杯裡面還能弄出三個渦呢！圖2-2-2 花俏的咖啡漩渦取自http://www.gather.com/uploads/3096224743828954/full 雖然一般不必弄得那麼花俏，可想而知地，渦越多混合地越快。製作可以動的微結構不是那麼容易，所以利於混合的結構就複雜得多。後邊被動與主動混合部分，提供常用於混合的結構。

2-3-2 布朗運動與擴散 (Brownian motion and diffusion)

布朗運動是1827 年英國植物學家 Robert Brown 在顯微鏡下觀察懸浮於水中的花粉時發現的，並由此得名。這種運動能在液體中的膠體粒子觀察到，在數學、物理學及化學都有相關的研究。其成因為某瞬間液體分子撞擊膠體粒子的力不完全抵消，是一種無規的運動。這種不完全抵消的發生頻率可高達每秒1010次。理論上已證明膠體質點的擴散是布朗運動引起的3, 4。物質會自發地自高濃度區移向低濃度，使濃度均勻化的遷移現象，稱為擴散。不僅在物理化學中，在物理、化工等和常見生理過程如生物對營養和藥物的吸收中，擴散都扮演極重要的角色。德國的生理學家Adolf E. Fick 在 1855 年導出描述擴散現象的斐克定律。擴散的速率與濃度差和接觸面積都有關5, 6。當兩種以上的分子在容器中的分布都

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均勻化也就是完全的混合。由此可知，擴散是達成混合的必經途徑。

在層流時，流體流層間的傳質僅為擴散。但混合不僅可藉由擴散達成，亦可藉湍流激烈的物質傳遞特性加速

2-3-3 被動與主動混合 (Passive and active mixing)

由上一部分，混合可以僅藉擴散或是擴散加上物質交換，通常是藉由引發湍流達成。若僅靠擴散，增加混合效率的策略不外乎增加待混合液的接觸面積。論到物質交換方法，可就百家爭鳴了！在微流混合元件的分類上，若以是否輸入能量來區分，可分為被動和主動兩類。被動混合僅靠特殊的流道或流道壁結構，加速混合。主動混合則藉外部能量，擾動待混合液的接觸面，以增加接觸面積，甚至引發湍流。六種被動的混合元件如下7, 8，箭頭所指或是圖的左邊，為兩道液體的注入口：圖2-3-3 被動混合原件的例子主動元件就多了。下面列舉六種： 1. 磁攪拌棒加外部磁場9。

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2. 磁粉加外部磁場。以下是操作的時序圖10。

3. 磁粉加外部磁場再加離心11。下一節會處理離心力的議題。

4. 利用電動力產生渦流12。圖中的四個黑圈表示渦流所在位置粉紅色箭頭所指處為湍流流線。左圖是剛開始1 秒，右圖示開始後 17 秒。

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5. 電動力驅動加多道混合13。左圖是示意圖，右圖是不同頻率電訊號所得結果。

6. 快速切換驅動電場的極性，達到搖晃的效果。14

也有用超音波、側向流，甚至電滲流、介電泳協助混合，這部分可見參考文獻1。

2-4 離心力與科氏力(Centrifugal force and Coriolis force)

微流道中運送液體前進有多種方法。大致可分為離心力驅動、壓力驅動、聲波驅動及電動力驅動四類。其中離心力與壓力為體作用力；聲波驅動與電動驅動則靠面作用力。科氏力與離心力都是在非慣性座標系中才有的力，如旋轉中的圓盤。兩者的作用方向不同：離心力沿著徑向，科氏力則垂直於徑向。如下圖示：

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圖2-4 圓盤徑向上某長條上作用的科氏力與離心力前一節提到一種主動混合器，是靠側向力擾動待混合液的接觸面，以提昇混合效率。科氏力效應即為一種產生側向力的方式。 2-5 重力 (Gravity) 依溶質粒徑分類，溶質可有三種狀態，由小到大分別是溶液態、膠體和懸浮粒子，如下所示：圖2-5 溶質顆粒分類一般溶液態溶質為分子或離子；膠體則像牛奶或咖啡等，分布卻不溶解在溶劑中；一般細胞等在光學顯微鏡下看得到的微粒就屬懸浮粒子15。同樣，面作用力如摩擦力、黏滯力對粒徑越小的粒子影響越大，也暗示慣性的影響小，較易隨著周圍流體移動。此時體作用力如重力、浮力的影響不大。但是，對密度較所在流體大的懸浮粒子，沉降現象就很顯著。這種流體即便已經與溶劑均勻混合，後仍會因為沉降到容器底部需要再度混合。 2-6 電動力效應（Electrokinetic Effect） 當流道因外加電場而流動，這種現象通稱為電動力效應。幾種主要之電動力效應為： 1. 電滲流（electroosmosis） 2. 電泳（electrophoresis） 3. 介電泳（dielectrophoresis）

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2-6-1 電滲流（Electroosmosis）當我們對微流道內之流體施加一電場，流體內帶電之離子會隨之遊移，因著流體之黏滯性（viscosity），使原來靜止的流體被遊移的離子拖曳而流動，此現象稱為電滲流（圖 2-6-1）。就著應用面而言，電滲流常應用於微流體的傳送。圖2-6-1 電滲流之示意圖。（待修改） 2-6-2 電泳（Electrophoresis） 當帶電之離子受外加電場驅動，這些離子會”穿過”靜止不動的流體，這種現象稱為電泳（圖2-6-2）。當外加電場增加時，電泳速率也隨之上升。此外，由於電泳分離是基於粒子移動速度的不同，所以並不涉及電極反應。圖2-6-2 電泳之示意圖。值得一提的是，電泳效應與電滲流效應互相伴隨；也就是說，電泳效應產生時，就必定伴隨著電滲流效應。由於電泳速率遠小於電滲流速率，因此，流體整體的流動方向（overall direction of the fluid）取決於電滲流之方向。

就著應用面而言，電泳效應已被科學工作者普遍地用於分離、分析和鑑定混合物中帶電粒子(包括離子､高分子多價電解質､膠體粒子､病毒以至活細胞等)。