臺灣物理研究發展概述（下）

韋大成++李旭豐

統計與計算物理

在統計與計算物理方面，臺灣科學家開展對軟物質與復雜系統的研究，包括展透、混沌研究，探討不同離子溶液系統的電性；通過對非平衡現象的圖案形成研究，探討解決法拉第波、化學BZ反應及生物圖案問題；對活躍液態膜首次建立其理論模型，對帶蛋白質的脂肪膜在細胞的型變及穩定性的了解提供基本理論框架。

近年來取得的成果包括：發現材料斷裂現象的圖形形成機制，展透及自旋相變模型的普適尺度函數，易行模型及一維量子模型等有限系統在臨界點的修正項及其普適量，易行模型的動態臨界行為有普適臨界指數及普適函數，摩擦模型在周期性邊界下的自組臨界性，靜準斷裂現象中的圖形形成與選擇，螺旋裂隙的形成機制，二維流體及半導體微波元件由周期運動至混沌變化之過程等。

此外，他們還建立用多重正則蒙地卡羅模型法計算蛋白質立體結構的程序集，以及用并行電腦計算蛋白質立體結構的算則及程序集；求出有長程相關性的生物巨分子發生折迭現象的條件；發現在鐵磁性物質及自旋玻璃之間有性質頗類似蛋白質的低溫物質存在；發現在蛋白質家族及超級家族，胺基酸系列有長程相關性或反相關性。

流體物理與非線性物理

在流體物理與非線性物理方面，臺灣科學家取得的成果包括：利用目前常用的二階流閉合，進行非等向性紊流模式的發展及應用研究；進行高分子聚合物的流變、相變和顆粒流、沙堆迭形成、顆粒分離現象和顆粒流及堵塞現象等研究；利用顆粒流流過一個二維漏斗裝置進行堵塞實驗研究，發現當漏斗出口大于顆粒直徑約5倍時，堵塞機率隨出口變小而增大以致完全堵塞，從堵塞時顆粒排列的規律可建立簡潔的幾何統計理論并成功的計算出堵塞機率。

由臺灣中研院數學所與臺灣大學數學系合作完成的流體力學二維數值計算程序的研發，在全球同等級程序中居領先地位。其優點在于準確性及其自引力的運算，已成功應用于星系盤與原行星盤的研究工作，有系統地分析了棒形旋轉體驅動下星系中央氣體盤的結構與演化，并成功解釋了星暴環與高密度分子中央氣體盤的產生，目前正應用于拱星盤的形成及演化研究。

臺灣中研院數學所研究人員自2000年開始對空氣動力學最主要的波茲曼方程進行定量分析。2012年，他們利用格林函數對邊界層和非線性波進行深入分析，所提出的格林函數具有獨創的時間漸進方法，比以前的定量方法更為精準。

生物物理

在生物物理方面，臺灣科學家曾開展神經網絡的集體性觸發機制、蛋白質折迭、蛋白質結構與分子演化、DNA物理特性及脂膜與蛋白質作用等研究。

蛋白質折迭是生物物理中一個重要的問題。給定氨基酸序列，如果能成功地預測蛋白質的形狀與功能，不僅對目前的制藥科技有極大的幫助，也可以在理論上設計新藥以對付疾病。2006年，臺灣新竹清華大學物理系牟中瑜等人發現，氫鍵與親水厭水性無法解釋小蛋白質中結構的存在，進一步的研究指出，蛋白質主結構上有電偶極存在，重要是這些電偶極的組態與蛋白質形狀有很強的關聯，因此電偶極之相互作用與氫鍵及親水性一樣重要。在加入電偶極作用后，該團隊找到可以有效折出蛋白質形狀的真實的位能，并且可以在一般的個人電腦上，在合理的時間內（數小時之內）有效地折迭真實的蛋白質，如免疫球蛋白的一段，而這在以往是做不到的。

2007年，臺灣中研院原子分子所研究人員推出世界上第一個掌上型簡易癌癥檢測系統，利用其自行研發的BMVC探針分子的熒光特性及對癌細胞與正常細胞的不同反應，因BMVC熒光探針分子進入癌細胞的細胞核比進入正常細胞的細胞核快很多，而且進入細胞核與DNA作用后，熒光可增強達100倍，通常5分鐘就可觀察到二者的圖像不同，只需花20分鐘就能檢測癌細胞，且能擁有約75%的準確度。

在眾多的納米生物醫學技術中，鉆石被認為是制造微型裝置的理想材料，特別是含有“氮-空缺”晶格缺陷的納米鉆石，經由黃綠色激光照射后，能夠產生明亮的遠紅外熒光，對生物細胞及組織的穿透力很強，適合生物醫學方面的應用。2008年，臺灣中研院原子分子所張煥正等人發現，鉆石的晶格缺陷可以藉由中能量、高通量的氦離子束來轟擊產生，因此可以在實驗室中大量生產熒光納米鉆石，其材料的熒光強度及穩定度都很高，即使小到25納米的粒子，仍保有優越的光物理特性，適合于活體的生物顯影。

臺灣科技人員在2009年發現，由于金納米棒在近紅外波段有強烈的表面等離子體共振特性，因此可清楚地看到細胞內由金納米棒受雙光子激光照射過程而產生的熒光點。這項技術非常有利于即時性的雙光子顯微圖像觀察，并可監控金納米棒產生的光熱效應與如何殺死癌細胞。實驗證實，由于金納米棒的光熱效應，引發癌細胞局部高溫氣化膨脹，導致細胞穿孔及胞膜瞬間破裂而死亡。此研究可了解納米材料在癌細胞光熱解作用的機制與過程，并有助于光熱療法應用在臨床上。

神經退化性疾病是指神經結構和功能逐步喪失而造成的疾病，包括阿爾茲海默癥、帕金森癥、杭丁頓舞蹈癥、小腦脊髓萎縮癥、額顳葉退化癥等，這些疾病都源于蛋白質在腦部發生群集現象而造成腦神經退化或死亡。2010年，臺灣中研院物理所胡進錕等人發現影響蛋白質群集現象的關鍵因素，例如阿爾茲海默癥乃源自蛋白質Aβ40（含40個胺基酸）和Aβ42（含42個胺基酸）群集現象，而杭丁頓舞蹈癥和小腦脊髓萎縮癥乃源自PolyQ蛋白質（包含許多谷氨酰胺的蛋白質）的群集現象，這些發現可望揭開蛋白質群集現象的神秘面紗，為預防或治療神經退化性疾病開一扇希望之門。

生命的種種活動都需要通過蛋白質間的交互作用來進行，目前用來檢測蛋白質間交互作用的方法，例如熒光共振能量傳輸、共同免疫沉淀、表面電漿共振等技術，都存在某項缺點。2010年，臺灣中研院原子分子所陳逸聰等人研發出以硅納米線場效晶體管作為生物傳感器，不僅擁有高靈敏度，也兼具專一選擇性、即時回應、無標記檢測、極少量樣品需求，以及快速篩選的許多優異特性。

該所王玉麟等人研發的捕捉與探測細菌雙功能快速檢驗芯片，利用芯片表面上第一層的萬古霉素，將血液中的細菌牢牢地抓住，以便第二層的銀納米粒子陣列來放大細菌表面分子的拉曼光譜信號。由于每一種分子都有自己特定的“拉曼光譜指紋”，可以藉此來區分細菌的種類。由于這種細菌檢驗芯片具有超高的靈敏度，在幾秒鐘之內就可以取得單只細菌的光譜，因此可以省略傳統檢測方法中必須耗費幾天甚至數周的細菌培養步驟，可望在短短幾小時內篩檢出菌血癥與敗血癥病人血液中的細菌。

臺灣中研院原子分子所2011年設立非線性光學實驗室，不僅探討生物分子的非線性光學特質，并將此特質應用于醫學工程、化學、生物與醫學的跨領域研究。在多光子顯微術領域，臺灣科學家研發的光學顯微鏡技術，已應用于多項領域，例如，二倍頻顯微術利用非中心對稱生物組織的特性，作為圖像的對比來源，不需任何標定即可有效地對生物組織進行造影，可有效分辨第一類與第二類膠原蛋白，以分析與量化纖維在三維空間里的結構。

有別于許多生物物理和生物醫學的研究是在較單純的體外環境下進行細胞或組織的實驗；另一項積極研發的技術是在活體生物體內以分子多光子激發現象進行光學造影，其重要研發成果之一是將多光子光學顯微術應用于觀察活體動物，在最自然的環境下從事生物物理與生物醫學的研究。肝臟疾病在臺灣島內是重要的健康問題之一，現階段在小鼠內觀察活體肝臟的造影技術，已成功觀察到小鼠內肝膽功能運作并加以量化。

除了基礎科學研發之外，臺灣學者也積極發展先進光學顯微術的應用。在生物系統內，一項重要的課題是了解分子與納米材料在生物組織內的運輸機制。例如，若可以了解物質進入皮膚的機制，藥物或具有醫療效果的納米粒子便可有效的進入體內進行治療。為此，研發團隊利用光子造影以厘清納米粒子在皮膚內的傳遞機制，另外還成功地使用多光子顯微術研究帶有不同電荷納米粒子在活體老鼠內的運輸機制。