〈研之有物〉我把物質世界和生活問題的解答，都藏在低溫世界了！──陳洋元
研之有物 2021-04-17 12:10
為什麼要研究「低溫物理」？
低溫領域不只是比較冷的世界而已，接近絕對零度的低溫，可以讓科學家觀察到電子的特性而了解物質世界。而將液態氮用於工程與生物，更能設計出能解決湧水地質工程難題的解法、與對生態無毒無害的紅火蟻防治方法。
冰凍時刻：挖隧道工程
低溫的運用，可不只有在微觀世界的物理研究而已，陳洋元與團隊將他們對低溫技術的理解，運用到真實世界，解決生活中所發生的問題。
1988 年起，臺灣開始興建雪山隧道，由於隧道施工路徑，行經了多數斷層、剪裂帶與地下湧泉，導致施工過程中的全斷面隧道鑽掘機 (潛盾機) 多次遭遇大量湧水而受阻。1997 年 12 月，更有一部機組因隧道崩塌而損毀報廢，因此，在湧水環境下依然能有效率地施工，即成雪山隧道工程的關鍵。
陳洋元得知施工過程的湧水阻礙後，想到百年前英國開挖海底隧道、以及俄國會特別利用冬天結冰期來施工的冰凍工法，便主動寫信建議當時的交通部部長，並提出構想簡報。1999 年，負責雪隧施工的榮工處，也提供了一個研究計畫，讓陳洋元與實驗室團隊利用液態氮試驗冰凍工法，在雪隧的豎井施工地點嘗試施工，並取得了成功凍土開挖的成果。
冰凍工法的原理相當簡單直觀，就是利用溫度僅 77 K (−195.79 °C) 的液態氮，使土壤中的水分結冰。土壤結冰後變得如岩石一般堅硬，開挖的過程中就能避免土壤因含水量過多、土質鬆軟而坍塌。
但是，如何讓低溫的液態氮，可以準確冷凍到需要開挖的部位，並確保冷凍的強度，則是實踐冷凍工法的困難之處。對此，陳洋元自行設計了液態氮冷卻、排氣與監測的工程系統，並透過電腦模擬估算液態氮的冷凍時間，成功開發出能開挖豎井的冷凍工法。
但很可惜的，由於雪隧施工過程的工程考量、工期壓力與學科分野後的本位主義，陳洋元團隊的冷凍工法，最終仍未被雪隧的施工單位所採用。陳洋元認為，這代表了學術研究和技術落實的差異。
學術研究雖然可以驗證新技術是否有成功的機會，但要讓技術開發完成，仍需要實務單位投入組織團隊與資源。
不過很快地，冷凍工法又得到了來自工地現場的呼喚。2006 年台北市開始大規模建設與更新地下汙水道，在地下汙水道的豎井興建工程中，遇到例如華江橋一帶地下水位較高的地方，豎井深處會有湧水而完全無法開挖。若停下來抽水排除障礙會嚴重延誤工期，而造成施工廠商的重大負擔。因此，陳洋元老師接受了施工廠商的委託，設計出能在豎井底層使用的冰凍工法，解決了地底水平開挖工程的湧水問題。
回顧起運用知識投入解決工程問題的經驗，陳洋元認為臺灣的產學合作與技術轉移，仍有相當多傳統思維需要突破。像是中研院雖有開發冰凍工法的經驗，但近幾年一些政府重大工程施工時，寧可高價雇用日本冰凍工法的團隊，也不願學習並採用中研院的技術。
兩棘矛：紅火蟻防治
不只是工程上，陳洋元團隊也將液態氮運用於紅火蟻防治。2001 至 2002 年間，紅火蟻透過運輸的貨櫃入侵到臺灣，成為影響農業、生態與人類安全的外來入侵種。利用熱水、化學藥劑等防治方法效果均有限，且須留意藥劑對生態的副作用。2004 年，當時的中研院李遠哲院長在立法院備詢與記者提問時，提出可利用液態氮消滅紅火蟻的構想。會後，李遠哲院長委託陳洋元開發液態氮撲滅紅火蟻的技術。
陳洋元與中研院生物多樣性中心的馬堪津研究員合作，發現紅火蟻在低於 -17°C 的環境會完全死亡；陳洋元同時也委由中研院物理所精工室的技師，打造在紅火蟻巢灌注液態氮的金屬管路。試驗結果發現，撲滅成效可完全根除蟻巢內的紅火蟻群與蟻后，也毫無任何汙染與副作用。
除了進一步技轉、推廣液態氮防治技術，陳洋元也研究如何有效定位紅火蟻蟻巢的位置。團隊曾利用軍用級紅外線偵測儀，企圖偵測紅火蟻蟻巢的溫度來定位，原本想法是蟻巢的溫度可能高於一般土壤，但實際上因為蟻巢通風良好、溫度反而較低。由於紅外線偵測儀不易偵測出剛形成的較小蟻巢，陳洋元因而進一步開發更有效的「紅火蟻偵測犬」。
陳洋元後續將紅火蟻屍體樣本寄至屏科大與祁偉廉獸醫師合作，訓練出能有效定位紅火蟻位置的偵測犬。偵測犬搭配液態氮與其他防治工法，近年來持續套用到大學校園、桃園機場、松山機場、淡水輕軌、台北花博等地的紅火蟻防治，以免紅火蟻破壞重要的電線或飛航線路，並需搭配定期觀測追蹤。近年來，日韓等國也因有紅火蟻防治的需求，而尋求陳洋元團隊的技術協助。
自製低溫比熱系統，探究低溫世界
無論是冰凍工法、液態氮防治紅火蟻，這些應用都是基於對「低溫物理」的成熟了解。但時間回溯到更早之前，最初發展低溫物理的科學家，其實有他們好奇、想探究的現象。
例如，今日對於低溫超導體的興盛研究，肇始於 1911 年時，荷蘭科學家海克．卡末林．昂內斯 (Heike Kamerlingh Onnes) 發現水銀在溫度 4.2K 時，電阻會完全消失、成為超導體。伴隨著低溫環境與低溫技術的出現，科學家開始發現在低溫狀態中，物質的特性有了超乎預期的現象。
從材料研究的觀點來看，微觀尺度的物質世界，其實就是原子與電子的交互作用。物質藉由不同的原子組成、排列，決定了物質的特性；藉由原子的震動，呈現出熱的現象；藉由電子的流動，則呈現出了電流。
伴隨量子力學的發展，物理學家利用「聲子」的概念，來理解原子的排列與震動，在過去七十年來，已累積了大量理論與實驗的成果，而造就了今日科學對晶體的理解。然而，對於「電子」性質的理解，卻因為聲子振動時的現象，會掩蓋電子的物理現象，使得對電子的研究明顯晚於聲子的研究進展。直到低溫技術的出現與變革：低溫環境不斷地改善、不斷地下探人類能創造的最低溫。
在低溫環境中，聲子如同結凍般，大幅減少了聲子振動所帶來的影響，而使得電子的特性，終於能開始被觀察研究。
1980 年代，正值低溫物理發展的高峰。1989 年，陳洋元從加州大學回到中研院物理所，建立了奈米材料與低溫物理實驗室，開始積極發展低溫技術。環顧當時臺灣沒有一台自製的比熱儀，而比熱的量測在凝態物理研究中是相當重要的元素，可以提供聲子、電子、磁性、相變等訊息，像是比熱對於超導材料的研究便不可或缺。
因此陳洋元決定發展臺灣自己的低溫比熱系統，此系統最關鍵的就是量測晶片、電子系統、與電腦程式。
如上方的圖片所示，量測晶片上有加熱與溫度感測薄膜，懸吊於真空中，利用加熱、放熱時產生的溫度變化，可於溫度 0.3-300K、高壓、磁場的環境下，測量微小樣品的比熱，例如二鋁化鈰 (CeAl2) 在奈米尺寸會呈現與塊材不同的比熱。過去 30 多年運用此低溫比熱系統發表之論文含 Physical Review Letters (PRL)、Physical Review B (PRB)、Applied Physics Letters (APL) 等計 70 餘篇。
設置「稀冷機」，讓低溫更低溫
進行低溫物理研究時，若單純只使用液態氦，會受限於液態氦的沸點，難以繼續降至更低的溫度。對此，中研院於 1995-1996 年間，設置了臺灣第一台稀釋致冷機 (dilution refrigerator)，利用不同比例 4He 與 3He 的蒸發，最終能達到 0.035K 的超低溫度。
我們可以簡單想像，在單純熱交換的世界中，例如將冰水與溫水混合，所能得到的最低溫，一定會高於冰水的溫度。因此，若無法取得比 4He 與 3He 沸點更低的物質，則實驗環境勢必無法低於 4He 與 3He 的沸點溫度。
因此，科學家運用「蒸氣壓」能影響「沸點」的特性，來取得更低的溫度。就像在高山上，氣壓較低時，水的沸點也會降低、而更容易煮沸。若將 4He 與 3He 置於更低表面蒸氣壓的環境中，則可以使兩者的沸點分別降至 1.5K 與 0.3K。
稀冷機，則更進一步運用物質在「相轉變」時，會帶走熱量的特性來降溫。
如下圖所示，稀冷機中的混合室 (mixing chamber) 內有兩種由不同比例 4He 與 3He 所組成的液態相，形成相界 (phase boundary) 明顯的兩相分離。混合室中 4He 較多、 3He 較少的部分，以管路連接一以 4He 為主的混合物容器 (still) ，當對 still 抽氣時，會使混合室中的 3He，先從 3He 較多的液相，跨越第一個相界至 3He 較少的液相，再跨越第二個相界至 still。
兩次相界的跨越，就如同兩次蒸發帶走熱量一般，可使混合室的溫度降低至 10-3K 的溫度狀態。以此技術，目前的世界紀錄，更可達到 10-12K 的程度。
陳洋元笑稱，當年由於稀冷機技術相對複雜而多數學校無法設置，中研院的稀冷機與良好的低溫環境，就像是一個創造了一個「dilution 俱樂部」，吸引了許多低溫物理的人才來此研究。
不過，雖然可利用液態氦來達到低溫，但液態氦無法人工合成、所費不貲，是低溫研究的重大花費。因此，陳洋元在中研院物理所旁，建立了「氦氣液化系統」，此系統能回收物理所實驗室本來排放到大氣中的氦氣，並重新壓縮降溫與液化，從而回收氦氣循環使用，節省資源並降低研究花費。
這幾間實驗室啊，還有隔壁的那兩間工廠…… 是當年我規畫蓋出來的啊
走在中研院物理所建物之間，陳洋元悠悠地這麼說。從低溫儀器的開發，到低溫物理的基礎研究；從實驗室裡的學術環境，到工地與蟲害的實際應用，陳洋元是少數投入如此廣泛與多樣領域的研究者。
回顧過往，這也許和陳洋元與團隊從 1989 年開始，長期耕耘中研院物理所的基礎建設有關，包含建立氦氣液化系統，協助建立精工室、以及位於物理所地下室的磁性實驗室和 X 光實驗室。
如同基礎研究之於整體學術發展的重要，基礎研究環境的興建與營運，可以帶來前端研究的成果；而立於基礎知識之上，我們更能發現複雜生活問題的解決方法。
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