臺灣大學應用力學研究所學位論文
國立臺灣大學,正常發行
選擇卷期
已選擇0筆
- 學位論文
近幾年，科學家應用設計膠體粒子的表面性質或施加電場來控制 Janus 的移動或是組裝，進而利用這些科技來完成如藥物輸送或是自組裝等目的。在均勻的低頻交流電場下，可極化表面周圍誘導出非線性的電荷，並被電場所驅動形成感應電荷電滲流，而感應電荷電滲流帶動粒子移動的行為被稱作感應電荷電泳。然而，目前並無直接的實驗數據探討非對稱粒子的感應電荷電滲流與感應電荷電泳對於電場方向的依賴性。本實驗使用粒徑為 3 微米之超順磁粒子半邊鍍有黃金形成 Janus 粒子，使其具有三種不同的物理性質，通過施加一微弱磁場操作粒子內部磁矩的轉向，實驗測量不同塗層厚度的 Janus粒子在不同取向下的極化反應行為。 在金屬塗層低於 30 奈米之薄塗層 Janus 粒子的情況下，其感應電荷電泳方向主要垂直於電場，並保持聚苯乙烯端在前方運動；接著在磁場中測量不同取向下 Janus粒子的感應電荷電泳速度和感應電荷電滲流的流動模式，實驗結果觀察到速度明顯地有取向依賴關係，垂直於電場軸線時速度有最大值，隨著運動漸漸轉為平行於電場軸線運動時，速度會慢慢降低。對於金屬塗層高於 45 奈米之厚塗層 Janus 粒子，其感應電荷電泳主要平行電場，並保持聚苯乙烯在前方運動，並且在不同取向下觀察到速度與薄塗層呈現截然相反的取向依賴性。因此我們認為 Janus 粒子的金屬塗層厚度與顆粒感應電荷電泳的取向是由感應電偶極強度所主導。另外，在高頻交流電場下，電雙層沒有足夠的時間進行充放電行為，實驗觀察到電泳運動反轉的現象，並保持金屬端在前方移動，我們認為在金屬電介質界面處會產生表面電場梯度，吸引非均勻的離子進而引起一壓力差使粒子移動。最後，本研究創新設計旋轉磁場和調整交流電場，提供了一種可編程粒子移動路徑的技術，達到在微流體中自由操作粒子的目的。
- 學位論文
本論文建立一套奈米流體充滿於疊加的流體層與多孔介質層之系統中，利用奈米流體的布朗運動與熱對流耦合關係而產生的雙擴散對流效應，讓奈米流體雙層系統成為影響熱傳量的自然機制。此機制對熱傳量的放大效果，與諸多物理性質和幾何條件相關，而這些物理參數條件均能用來設計增強電子套件散熱機構，對提升CPU運算能力與DRAM存取速度，均有實質效果。對於目前全面發展的電動車馬達散熱，更有諸多的啟發與應用，但須將本論文之分析從直角座標轉換成圓柱座標，以符合輪軸形狀之設計。 本研究旨在以時間的線性穩定性理論，並探討厚度比及濃度差對此系統的不穩定性影響。整個系統當厚度比較小時，長波對流比短波對流不穩定，對流主要發生在多孔介質層；隨著厚度比變大，短波對流比長波對流不穩定，對流主要發生在流體層，即為系統發生的模態轉換，而渦漩的個數也變多，使得渦漩形狀為指狀，即發生所謂指狀對流(finger convection)。除了模態轉換外，亦探討流體層的雷利數及多孔介質層的雷利數隨著厚度比變化趨勢；隨著厚度比增加，流體層的雷利數大幅增加 ，而多孔介質層雷利數則是隨著厚度比增加而下降。除此之外，根據雙擴散理論，只有當下板濃度高時，才會有振盪頻率，而在轉換模態時，振盪頻率特別低，當厚度比增加時，振盪頻率會大幅增加。 在工業應用上，不同的振盪頻率應對熱傳量亦有不同影響；除此之外，為了設計適當的尺寸，我們固定總長度去探討不同的厚度比需要多少溫差才可產生紊流，得到厚度比越大越容易產生紊流，但是主要發生對流處在流體層，但是對流胞比較小即對流面積比較小，整體散熱效果不一定會較佳，因此需要達到雙層系統都有散熱且最小溫差應選轉換模態時的厚度較好。
- 學位論文
第一部分為分子間相互作用力數據庫的建立，由於非共價相互作用在化學、生物學和材料科學……等等許多領域都是很重要的研究，在過去幾十年中，新的量子化學方法發展之快速，皆在改善結果的準確度，但作為學術的價值最終都必須與實驗結果比較來確認，理想下所有的經驗模型都是基於實驗數據建立而來，可惜的是，很多情況下，我們所需的參數無法直接從實驗得來，因此有必要建立準確且可用於參數化和驗證經驗模型的數據庫。為了系統性的建立一組以ab initio force field針對非共價相互作用能數據庫，我們選擇以烷、烯、炔(色散能主導)及常見的官能基分子二聚體醇、醛、酸、酮、醯胺(靜電能主導)為計算的對象，使用Gaussian09套裝軟體來模擬和計算二聚體的構型及分子間作用力，經過BSSE(Basis Set Superposition Errors)修正的微擾理論(Møller-Plesset Perturbation Theory，MP2)、偶合簇理論(Coupled Cluster Method)等量子力學理論來計算分子間作用力，其中使用MP2及CCSD(T)方法搭配aug-cc-PVXZ(X=D、T、Q)的基底來計算最佳化構型，另外，與不同基底函數用外插法得到的基底極限值CBS(Complete Basis Set limit)比較，探討基底函數與CBS收斂性的關係。 在建立相互作用能數據庫後，我們使用PSI4軟體中的SAPT(Symmetry-Adapted Perturbation Theory)方法分解出靜電能、誘導能、交換能與色散能，以分析分子間作用力的排斥力及吸引力對分子二聚體的穩定性影響。了解分子間作用力的組成後，我們希望能在比SAPT分析更仔細一步探討這四項能量個別是由分子中哪些團基的相互作用得來，我們將這些團基的相互作用力稱作分子片段團基相互作用力(Molecular segment interaction)，由每一類分子從碳數小的分子出發，期許能找到構成相互作用力的規則，並能應用於預估更大分子的相互作用能。
- 學位論文
由於某些物質在電極上會有發生電子轉移的化學性質，因此可以將此特性應用在電化學感測器的研究以及設計上。 本研究成功利用電熱效應來提升電化學感測器的檢測效率。藉由施加不均勻的交流電場於微流道中的電化學感測器上，因此會在流場內產生一個作用力，稱為電熱力。這個作用力會形成一對攪拌的渦流並對流場以及反應面上的擴散邊界層產生擾動，增加了反應物傳輸到電極表面的量，因此有效地提升反應所產生的峰值電流值。 本研究藉由有限元素軟體模擬電化學檢測器上甲基苯丙胺(即冰毒)的電子轉移反應，當溶液處於靜止的情況時，反應為擴散控制。由於反應物電子轉移的速率大於擴散到電極表面的速率，因此會在電極表面形成擴散邊界層，限制反應物傳遞到電極的表面。其中會影響擴散邊界層形成的變數都會在模擬中去討論，包括流道的高度、反應面的位置、角度以及產生電熱效應提供的電壓大小以及電極位置。 在嘗試了流道中許多反應面的位置後，可以發現峰值電流會有不同的放大倍率，其中在施加交流電壓峰對峰30 以及工作頻率100 kHz且反應面中心座標位在(750,570)時，峰值電流會有5.19倍的放大。接著嘗試去調整反應面的角度去看結果，發現反應面位置在(750,560)並且逆時針旋轉45度有5.44倍的放大效應。最後將用來產生電熱效應的電極置於流道底部(反應面的兩旁)，可以發現有5.76倍的放大效應。 綜觀而論，反應在加入電熱效應以及配合反應面的幾何位置可以有效放大反應的峰值電流，進而達到提升檢測靈敏度的目標。期待能在未來將模擬的結果應用在電化學感測器的設計上面。
- 學位論文
裘馨式肌肉失養症是ㄧ種罕見的遺傳疾病，病患四肢會因為肌肉逐漸地纖維化和脂肪浸潤而感到無力，下肢的肌肉變化猶為明顯，但目前針對裘馨式肌肉失養症病況程度的分級都是依據較為主觀的理學檢測進行評估。故本研究引入超音波醫學影像的方式由客觀的角度切入進行病況程度的分級和評估，並進一步找出從行走階段到不能行走階段的標準參數，來啟動對於病患、家屬和社會ㄧ個預警的機制。 本研究是以病患的下肢分析為主包括：腓腸肌、前脛肌和股直肌，利用希爾伯特黃轉換計算出各病況階段的瞬時頻率，並觀察瞬時頻率與各病況階段變化之趨勢，發現所分析三個肌群的瞬時頻率都會有隨著病況嚴重程度的增加而有越明顯衰減的趨勢，而三個肌群中腓腸肌擁有最大的接受者操作曲線下面積0.9717，可謂肌肉變化最為顯著的肌群，其下肢功能評估也是最佳的，因此以腓腸肌之瞬時頻率7.0865 MHz為行走能力損失的最佳標準參數。最後利用總體經驗模式分解進行分析發現結果大致上不如經驗模式分解，因此綜合以上結果推論腓腸肌其經驗模式分解所得到的第一個本質模態的結果評估效果最好。
- 學位論文
微混合器與石英晶體微天平為生化、生醫領域常見的微流體系統，主要用來進行不同種類的藥品混合與生物分子檢測。在微奈米尺度下，流體為層流狀態，自然擴散為其主要的藥品輸送方式。然而，此種機制需要耗費很長的時間才能達到良好的傳輸效果，在混合與生化反應之使用上效果有限。本研究引入交流電動力，以期能提升混合效能並縮短反應所需之時間。 交流電動力主要的機制有：操縱微小粒子與擾動微流體流場。此外，不同的流體導電度、電壓、交流電訊號頻率、操作尺度等條件能產生不同作用方式的交流電動力，其大致可分為介電泳、電熱效應以及交流電滲三種。 本論文以有限元素分析軟體COMSOL Multiphysics針對電熱效應式石英晶體微天平 (ETE-QCM) 與交流電動式微混合器 (ACEK micromixer) 之實驗架構，進行數值模擬分析，以達到預測實驗走向之效果，並結合相關理論解釋實驗之現象。
- 學位論文
為了瞭解流體經過結構物造成的局部沖刷現象，使用大渦流模擬結合虛擬網格沉浸邊界法與移動網格法來進行數值模擬。我們使用大渦流模擬解析出流場中較細微的瞬時紊流運動以模擬出底床形貌隨時間演進的動態變化。固體邊界使用虛擬網格沉浸邊界法產生，此方法可以在卡式座標網格下定義複雜幾何邊界，且相較於傳統的貼體法較為節省計算資源。移動網格法計算網格速度使流域邊界隨著底床形貌的變化而移動。 數值模擬的結果分為四個部分：第一個部分模擬穩態流流經不同幾何斷面之結構物，並觀察到銳體能夠有效降低底床淘刷；第二個部分透過因次相似模擬在現地波浪條件下的沖刷現象，由模擬結果發現在現地條件Keulegan-Carpenter數(KC)範圍內主要的淘刷機制為尾跡渦漩；第三個部分加上護基石堆進行模擬，由模擬結果發現流場中不對稱的尾跡渦漩運動使得淘刷在護基石堆左側較為劇烈；第四個部分模擬在長週期波浪下的沖刷現象，由模擬結果發現在入流速度相同時，隨著震盪週期增加，圓柱前後緣形成明顯的馬蹄形渦漩，和小KC數時淘刷主要發生在圓柱兩側時的情形不同，最後形成圍繞圓柱的淘刷坑洞，與穩態流淘刷的情形相似。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
本研究基於力元理論觀點以數值模擬來探討在低雷諾數流場中，以有限長度撓性平板進行上下擺動(heave)模擬魚類尾鰭在BCF泳動模式中的受力機制。藉由調整不同雷諾數Re=200, 500 & 800、史卓荷數St=0.1~0.6與變形幅度a0=0.0, 0.1, 0.15, & 0.2，來觀察平板受力分布。透過力元理論來分析在整個擺動週期中撓性平板的受力機制，由CD - t曲線圖發現推力貢獻分別來自於平板加速變形運動所產生(C_Da)、流場中的渦流(C_Dv)以及物體表面渦度(C_Ds^')。當固定擺動頻率只有上下擺動(a0=0.0)會增加推力並且減少摩擦力，而固定擺動振幅進行擺動會使得兩種作用力會一起增加。在兩種不同的運動條件下隨著變形幅度增加，推力會有明顯成長，然而摩擦力也會有顯著提升。由文獻指出影響尾鰭受力主要來源是尾流，然而從區域體渦度分析可以清楚了解環繞於平板週圍的渦流皆會對結構造成受力變化。在固定擺動頻率的運動情況下，其分析結果觀察到尾流只佔整體推力20~30%，其次推力貢獻為平板上下區域與兩側區域。而固定擺動振幅的運動情況下，其分析結果觀察到尾流仍是佔整體推力約25%，其次推力貢獻為兩側區域與平板前緣區域。此外，受非定常擺動影響的勢流力與平板的表面渦度是無法被忽略力元貢獻。另一方面，在較高的史卓荷數與變形幅度條件下推力會遠大於阻力，但是仍會有所極限。同時也以力元理論仔細分析在不同擺動模式下的推進效率，結果顯示當高於臨界St=0.2，平板會產生正推進效率。
- 學位論文
近幾年科學家研究中，以施加電場來控制膠體粒子運動，此技術可應用用於藥物輸送、自組裝及細胞分離，而粒子於電場中的運動主要由其極化能力決定，因此以電旋轉方式來量測粒子旋轉角速度與頻率關係，藉此了解粒子的極化特性，另外改變溶液性質及粒徑大小變因等，能導致粒子電旋轉特徵頻率改變，而在過去還未以溫度作為變因來探討，因而我們在旋轉電場中以動態方式施加雷射於粒子上，來觀察粒子運動變化。而粒子於具有溫度梯度系統中會有熱泳現象，在Janus粒子研究中，其在擴束雷射照射下，金屬端吸收雷射產生溫度梯度而產生自熱泳，然而科學家對於粒子在電熱耦合下的泳動，還對此機制未有完整了解，因此本實驗結合兩種機制，對Janus粒子同時施加旋轉電場及熱場作為實驗對象，觀察電熱耦合下Janus粒子運動。 我們實驗中，在低頻時Janus粒子產生偏心自發熱推進旋轉運動，這種新的主動粒子運動型態的推進速度、旋轉半徑及旋轉方向能藉由電壓、雷射功率及頻率控制，Janus粒子推進速度會與電場強度及雷射功率呈正相關。而在高頻率時Janus粒子周圍液體產生順電場方向的電熱流動，而電熱流動會對Janus粒子產生扭矩造成同方向旋轉，另外系統下Janus粒子能匯聚並捕獲負介電泳粒子並排斥正介電泳粒子。這些電熱耦合下產生的特殊現象，未來能應用在微晶片上溶液混合及細胞收集控制。
- 學位論文
本研究第一部分係利用氮氣直流脈衝常壓噴射電漿來製作一以聚乙烯醇/硫酸(polyvinyl alcohol (PVA)/sulfuric acid (H2SO4))凝膠態電解質構成之可撓性還原氧化石墨烯(rGO, reduced graphene oxide)超級電容，在循環伏安法以掃描速率為2 mV · s−1的測試條件下，測得其面積電容 (Areal capacitance)為47.03 mF · cm−2，且在各種不同之曲率半徑下無明顯之下降，此外，經過1000次循環伏安法測試後，平坦時之電容保持率 (Capacitance retention rate)為100%，而在曲率半徑為0.55公分時之彎矩狀態下為98.6%，證實了本研究所製作出來之可撓性超級電容具有優異的穩定性。 而本研究第二部分係利用一經由常壓噴射電漿處理之還原氧化石墨烯於網印碳電極上的電化學感測器與3D列印微流體通道所整合出的原型裝置進行研究。此原型裝置係用來檢測含有不同濃度多巴胺(DA, dopamine)之磷酸鹽緩衝生理鹽水(PBS, phosphate buffered saline)溶液。在經由常壓噴射電漿鍛燒後之還原氧化石墨烯塗層能夠顯著地增強多巴胺檢測時之電化學信號18倍，顯示出一經由常壓噴射電漿鍛燒之還原氧化石墨烯具有電催化效果。此外，從X光電子頻譜分析(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy)結果可知，經由常壓噴射電漿鍛燒之還原氧化石墨烯於網印碳電極上具有更多含量的含氧表面官能基團，因而使其之電化學反應性增強。而在含有干擾物的測試中，當存在著具有相當濃度之尿酸 (UA, uric acid)以及抗壞血酸 (AA, ascorbic acid)等干擾物下，各種濃度之多巴胺溶液的循環伏安曲線以及線性掃描伏安曲線亦能夠明顯地區分出來。