開拓科學研究的前沿

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城大兩位科學家在2001—02年度研究資助局的中央撥款中贏得560萬港元的資助,約佔總撥款額三分之一。製造工程及工程管理學系署理系主任兼建築系講座教授洪友仁教授和物理及材料科學系講座教授兼超金剛石及先進薄膜研究中心主任李述湯教授,分別獲得400萬港元和160萬港元,進行建築物之結構無損檢測研究及納米矽線的科學與技術研究。 

 

重新探索建築安全技術

香港現有大約五萬幢高樓大廈,還有不少在計劃興建之中,因此建築物安全的問題格外重要。「香港的建築物,除了樓層普遍偏高外,還有許多是興建在斜坡和填海土地之上,因此很容易受山泥傾瀉或由地陷引致地基移動的影響。建築物的地基不穩會引致倒塌,危險萬分。」洪教授說。此外,在颱風季節,強風會把大廈吹得左搖右擺,也會令大廈的地基變得鬆軟。還有,樓齡老化也會引致大廈的結構出現問題。香港建築物的壽命一般是50年,部分樓宇現時已經臨近這個限期。

 

要確保建築物安全,唯有經常檢查。可是,現在主要是靠人手檢查,既帶主觀性,又技術落後。洪教授解釋說:「檢查員用鎚子檢查建築物的孔隙,或是鑿取材料樣本測試,方法既原始又不可靠。我們需要更有效的檢測技術。」

 

無損檢測可確保建築物安全

洪教授認為要確保建築物安全,應採用無損檢測技術作預防以及持續監察。洪教授這次就是以「應用激光剪切干A法於建築物之結構無損檢測」為題的研究項目,獲得香港研究資助局撥款。這項研究計劃將由城大、香港大學、香港科技大學及香港理工大學合作進行。

 

洪教授發明的激光剪切干涉法(shearography),利用激光檢測物件的破損程度,從物件對壓力的反應窺視物件因結構毛病而引致的異常變型或脆弱情況。激光剪切干涉法雖然很新,卻已得到工業界廣泛應用,例如:美國太空總署、聯邦民航局及汽車業都採用這項技術檢測物件的結構及輪胎的質素。洪教授希望進一步發展激光剪切干涉法,用作實地計算結構靜態與動態變形情況、評核鋼鐵腐蝕以及混凝土剝蝕等建築結構惡化的情形,並且遙距檢測建築物的外部狀況。還有,更重要的是,檢查建築物地基的情況。

 

耐用的智能感應器

洪教授目前集中研究香港建築物的安全問題。除了激光剪切干涉法外,他同時開展一項計劃,那就是新建築物內裝設耐用的智能感應器,以監察建築物的安全情況。他說:「在建築物內裝設的感應器,好像人體的神經系統般長期及不斷發出監察的訊號。」每幢大廈各自設有數據收集匣,資料可透過互聯網傳送至中央的監察系統。

 

要長期監察建築物的情況,必須有長久耐用的電功率轉送器,但目前的電功率轉送器都並不耐用。洪教授相信他以石晶製造的感應器可以解決這個問題,因為石晶可用上數百年也不退化,比較耐用。受到壓力時,石晶感應器的顏色會改變。洪教授解釋說:「壓力越大,感應器就會顯示更多的顏色,所以我們正在研究及分析感應器的顏色變化,以找出它與壓力間的自動對應關係。」

 

洪教授希望在未來三年以現有的撥款作實驗室研究,然後尋求工業界的支持作實地測試。「由於香港很關注建築物的安全問題,因此我們目前集中監察建築物的安全性研究。不過,其實激光剪切干涉法還有其他用途,如檢測橋樑、隧道和堤壩的破損程度等。香港可將這項技術發展為高增值服務,向全球市場推介。」

 

開拓納米線的研究

納米線是現今科學界的熱門研究項目。由李述湯講座教授領導的研究小組所提出的「納米矽線的科學與技術」研究建議,是另一項獲香港研究資助局2001—02年中央撥款的項目。這是過去五年來李教授的研究小組第三次獲得的同類撥款。

 

李教授解釋說,矽是地球上最普遍的元素之一,僅次於碳和氧。目前半導體電子九成是以矽製成,做法是把一大塊的矽圓片割成一小點一小點,然後用來製造電腦晶片。不過,這些小點的尺寸有限,目前最小的是100納米(一納米等於十億分之一米)。李教授又指出,成本的因素也要考慮,「建立一條能夠製造0.1微米(一微米等於一千納米)薄片的生產線,便需要100至500億美元。因此,厚薄和成本都有一定的限制。此外,生產線必須設置在超淨的環境。因為只是一微米的塵埃粒子就足以掩蓋並損壞50小點的矽。」因此,李教授和他的研究小組嘗試從相反的方向研究。他們放棄把大塊薄片切成小片的方法,改用從小到大的方式,把逐個逐個矽原子建立起來,這就是納米科技。

 

氧化助長法

「在城大,我們發明了製作納米矽線的新方法,能夠大量製作細至一納米的納米線。」李教授說。這個稱為氧化助長法的新發現已取得

美國專利。

 

採用這個方法,可以大量製造不含金屬雜質的納米矽線,避免了使用傳統方法時出現的金屬污染問題。除了製造納米矽線,這種新方法亦適用於製造其他半導體納米線。李教授說:「雖然我們仍在研究階段,但一定程度上已掌握到如何控制納米矽線的厚度、長度和傳導性。」此外,新方法亦可製造一連串粒子狀或帶狀的納米矽線。事實上,這種突破性的方法讓李教授掌握到控制方法,「開發更多有助了解納米的知識,製造具備所需特質的納米線。」

 

製造出具備所需特質的納米線後,研究小組將按其電子、光學和化學的特質為每條納米線分類。李教授說:「要把頭髮分類不難,但這些納米線比頭髮還要小10,000至100,000倍。」分類後就要決定怎樣利用納米線的不同特質,例如作化學感應、照明或是生物應用。最後,除了實驗工作,小組還得建立一套理論。「我們的最終目標,是預測和找出納米線的特質和製造方法。」

 

矽的優點

李教授表示,選擇用矽作研究,是因為矽有廣泛的用途。若果能夠找出納米線的特質,就可以根據現有的知識,輕易地把它應用到目前的裝置上。「過去50年來,人類逐步把矽應

用於各種電子裝置。因此,只要我們能夠從基本著手製造納米矽線,便可輕易地將納米矽線應用到今天的電子裝置上。」

 

矽的另一優點,是作為半導體納米線的最佳材料。因此,研究納米矽線所得的知識、技術和科學,均可應用於其他半導體納米線上。李教授說:「這是很重要的目標,我們正面對一項大工程。」不過,研究小組已作出兩項重要的突破,令他們在這方面的研究居於世界的領導地位。

 

首先,小組發明了創新的製造方法,可以大量製造具有控制特質的高純度和高質素的納米矽線。還有,這方法可應用於其他物料。李教授說:「這是我們的優勢,並得到世界認同。」小組另一世界首創的發明是運用掃描隧穿顯微鏡(scanning tunnelling microscopy),把個別納米線分類。李教授解釋,掃描隧穿顯微鏡的最大優點是可以顯示物料表面個別原子的圖像。透過圖像,研究員可以知道這些幼線的原子結構,了解幼線與粗線的不同,這種現象稱為小型效應(small size effect)或量子限制效應(quantum confining effect)。

 

另一項令人興奮的發現

除了可找出每條納米線的原子結構,掃描隧穿顯微鏡的檢查方法讓研究小組量度每條納米線的電子特質,說明頻帶的間距。李教授說:「要找出納米線狀態的密度並不容易,因為這不單要了解納米線的外表,更要知道納米線內的電子如何連合。不過,我有信心可以做到。」小組研究納米線的狀態密度時,有另一新發現:納米矽線的直徑縮小時,會釋放出強光。一

直以來,矽只用於電子裝置而不用於光學裝置,原因是矽不會放光。李教授說:「矽縮小時會發光,將來便有可能把光學裝置與矽電子裝置結合。」

 

李教授希望可將有關矽的知識擴展至其他半導體納米結構,包括砷化鎵、鎵磷化物等。李教授的研究小組製造的產品不單是線,還有空心管以及世界首創的矽帶。這種矽帶非常薄而寬長,彎彎曲曲、有脊或中間小洞。「現在我們也未能確定納米線的好處。不過,我們會發掘它的特性,然後研究它的各種用途。這正是科學家的工作。」

 

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