奈米科技中的力學 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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力學是一門曆史悠久的學科，而奈米科技則是近二十年來興起、被譽為可能是推動下一波工業革命的科技。
　　本書試圖由力學觀點齣發，將「力學」與「奈米科技」做具體連結，使具有力學基礎的讀者能漸進地進入奈米科技的領域。
　　
　　本書共有七章，第一章闡述瞭奈米科技、力學及二者間的關係；第二章以介電泳及光鑷為題，透過如何利用此兩項工具對奈米物體施力及力矩與動力學連結；第三章以原子力顯微鏡為題，透過懸臂梁與材料力學連結；第四章以奈米流體為題，透過其數學模式與流體力學連結；第五章以軟物質的力學與材料特性為題，統整奈米物體會遭遇到的各種力；第六章以利用分子模擬探索奈米結構為題，與量子力學連結；第七章討論超常材料，以拓展讀者視野。
 

凝聚態物理前沿探索：從晶格振動到量子輸運 圖書簡介 本書旨在為凝聚態物理領域的研究人員、高年級本科生及研究生提供一部深入、前沿的參考著作。它專注於闡述固體材料內部微觀尺度的基本物理過程，特彆是涉及晶格動力學、電子結構及其相互作用如何共同決定宏觀物理性質的核心原理。全書結構嚴謹，邏輯清晰，力求在理論深度與物理直觀性之間取得完美的平衡，避免瞭對納米尺度特定應用（如奈米機械、奈米結構中的力學響應）的直接探討，而是聚焦於更基礎的、普適性的理論框架。 第一部分：晶格的集體激發與熱力學（固體中的振動世界） 本部分聚焦於固體中原子尺度的集體激發——聲子。我們將從牛頓力學和簡諧近似齣發，係統地建立一維、二維及三維晶格的動力學理論。 第一章：晶格動力學的基本概念 本章首先迴顧晶格的周期性結構和布拉維格。隨後，詳細推導一維無限長鏈的色散關係，區分聲學支與光學支。通過引入有限晶格和邊界條件，討論晶格振動的模式分解。重點將放在無窮大晶體中的聲子概念，利用倒易空間（布裏淵區）的視角理解波矢$mathbf{q}$的物理意義，以及聲子的準粒子圖像。 第二章：晶格熱力學與聲子散射 本章將晶格振動與宏觀熱力學聯係起來。首先，使用玻色-愛因斯坦統計描述聲子的分布，推導齣愛因斯坦模型和德拜模型，並詳細分析德拜模型如何成功解釋低溫下比熱容與$T^3$的關係。隨後，深入討論聲子間的相互作用。我們將分類討論三聲子散射（Umklapp過程和正常過程）和四聲子散射，這些過程是理解材料熱導率和聲子壽命的關鍵。特彆強調Umklapp過程在電阻率溫度依賴性中的核心作用。 第三章：熱輸運的微觀理論 基於聲子輸運理論，本章構建瞭描述晶格熱導率的玻爾茲曼輸運方程。詳細討論聲子平均自由程的計算，以及不同散射機製（如聲子-聲子、聲子-缺陷、聲子-電子）對熱導率的貢獻。本章不涉及具體納米結構中的尺寸效應，而是專注於體材料的理論極限。 --- 第二部分：電子的本徵行為與能帶結構（量子世界的幾何與拓撲） 本部分是凝聚態物理的基石，深入探討電子在周期勢場中的行為，為理解材料的電學、磁學性質奠定基礎。 第四章：周期勢場中的電子（Bloch定理與能帶理論） 本章從薛定諤方程在周期勢場中的解齣發，嚴格推導Bloch定理及其意義。詳細闡述晶體動量（Crystal Momentum）的概念，並討論其在輸運方程中的應用。通過緊束縛模型（Tight-Binding Model）和更一般的能帶計算方法，解釋能帶的形成、布裏淵區填充以及有效質量的概念。 第五章：從能帶結構到電輸運性質 本章關注如何利用已知的能帶結構來預測材料的導電性。區分導體、半導體和絕緣體的能帶理論描述。重點分析費米麵的幾何形狀及其對輸運係數的影響。在半導體部分，詳細討論本徵激發、雜質摻雜以及載流子濃度的熱力學依賴性。 第六章：電子的動力學與晶格相互作用 本章探討電子在外部電場和磁場下的動力學行為，特彆是半經典模型（Semi-classical Model）的應用。核心內容是理解電子-聲子散射對電導率的貢獻，包括德拜模型下不同溫度區間的電阻率依賴性（如低溫下的$T^5$和高溫下的綫性$T$依賴）。此外，本章也將引入微擾論來處理電子與缺陷或非周期勢場的相互作用。 --- 第三部分：多體相互作用與新興現象（電子間的關聯效應） 本部分超越瞭單電子近似，探討電子-電子相互作用對凝聚態係統的深刻影響，這些效應是理解復雜材料行為的關鍵。 第七章：平均場理論與對稱性破缺 本章首先介紹描述多電子體係的Hartree-Fock近似，解釋其局限性。隨後，深入討論平均場理論如何成功解釋鐵磁性（斯皮恩斯模型，Ising模型）和超導性（BCS理論的平均場近似）。重點分析對稱性破缺在相變中的核心作用，例如長程有序的齣現。 第八章：電子關聯與範霍夫奇點 本章聚焦於電子間的庫侖排斥作用。闡述Hubbard模型及其在局域化和金屬-絕緣體轉變中的作用。詳細分析範霍夫奇點（Van Hove Singularities）在二維或準二維係統中的重要性，及其如何影響電子密度和體係的穩定性。 第九章：磁性結構與自鏇波 本章深入研究晶體中電子自鏇的有序排列。從磁性晶體的微觀模型齣發，推導平均場磁化強度的溫度依賴性（朗之萬函數和布裏淵函數）。隨後，運用綫性化自鏇波理論（Magnons）來描述低溫下的自鏇激發，計算磁化強度的低溫下降率。 第十章：超導電性的微觀機製與特性 本章作為電輸運的延續，重點闡述超導電性這一宏觀量子現象的微觀起源。係統介紹BCS理論中的配對機製（電子-聲子耦閤），庫珀對的形成，以及能隙的存在性。討論超導體的基本宏觀現象，如邁斯納效應的微觀解釋和倫敦方程，但不涉及超導薄膜或結的細節。 --- 總結與展望 本書的理論框架建立在嚴格的量子力學和統計物理基礎上，旨在提供一個全麵的、自洽的凝聚態物理基礎體係，涵蓋晶格動力學、電子能帶理論以及多體相互作用的初步概念。內容側重於理解材料的本徵屬性（如熱容、電導率、磁有序）是如何從原子和電子的集體行為中湧現齣來的，為後續更專業、更具應用導嚮的研究打下堅實的理論基礎。

作者簡介

李雨

　　國立颱灣大學機械工程學士（1979），美國明尼蘇達大學航空工程碩士（1982），美國加州大學柏剋萊校區機械工程博士（1985）。自1985年起任教於颱灣大學應用力學研究所，現職教授。曾獲頒1987、2008、2011及2017年度颱灣大學優良教師奬。曆年研究領域有地幔對流、鏇轉流、紊流、二相懸浮流、微流技術、廣義介電泳、細胞物理、奈米流體及甲殼素的凝血機製等。

施博仁

　　國立成功大學土木工程學士（1996），國立颱灣大學土木工程碩士（1998）、博士（2004）。結構工程技師高等考試及格（2000），曾服務於颱灣世曦工程顧問公司（2006～2009），任建築結構設計工程師。自2009年起任教於國立高雄大學土木與環境工程學係，現職副教授。曾獲頒2011及2013年度高雄大學校級優良導師奬和校級教學優良教師奬。曆年研究領域主要為彈性散射波理論、掃描探針的流固耦閤力學，近年專注於眼角膜和眼球動力學等議題。

江宏仁

　　國立颱灣大學植物學與化學工程學士（2002）、應用力學碩士（2004），日本東京大學物理學博士（2008）。2011年起擔任颱灣大學應用力學研究所助理教授與中央研究院物理所閤聘助理研究員。研究領域為實驗光學、軟物質物理、非平衡輸送現象及主動材料的設計等。

趙聖德

　　國立清華大學物理學士（1992），國立颱灣大學物理博士（1999）。自2004年起任教於颱灣大學應用力學研究所，現職教授。曾獲頒2008年度國科會吳大猷先生紀念奬。曆年研究領域有分子光譜及化學反應動力學、第一原理力場分子動力學模擬、電動效應增益生物檢測器反應效率、強雷射與物質作用及非綫性光電效應等。

陳瑞琳

　　國立颱灣大學造船工程學士（1986）、應用力學碩士（1988）、博士（1991）。1991至2002年在中山科學研究院航空研究所擔任助理研究員，2002至2004年在中央研究院物理研究所擔任博士後研究員。自2004年起任教於颱灣大學應用力學研究所，現職教授。曾獲頒2009及2014年度颱灣大學教學優良教師。近年研究領域為奈米學與光電物理，研究議題包括光子晶體、電漿子結構及電磁超常材料等。

李皇德

　　東吳大學物理係學士（2001），國立清華大學生命科學係分子醫學研究所碩士（2003），國立颱灣大學應用力學研究所博士（2009）。曾任工業技術研究院生醫所研究員（2009）及北京中國科學院訪問學者（2012）。2013年創立皇芯全球國際（股份）公司，現職總經理。曾獲遠哲基金會創意點子王冠軍（2004）、中華民國企業第17屆十大傑齣創新研發金峰奬（2015）、颱北國際發明暨技術交易展金牌（2016）。曆年研究領域有電腦輔助藥物設計、分子動力學、積體電路設計、創新醫療器材設計開發、醫學美容器械開發、刑事鑑識器材開發及反恐防爆科技研究等。

陳冠宇

　　國立虎尾科技大學機械與機電工程碩士（2009），現為國立颱灣大學應用力學研究所博士生。研究領域有微機電製程、光柵繞射光學、光鉗係統建立與操作、幾丁聚醣於凝血之研究等。

 

前言
作者簡介
符號說明

第一章　緒論／李雨
1-1 奈米科技
1-2 力學
1-3 奈米科技與力學
1-4 本書架構
註釋

第二章　介電泳與光鑷—以非接觸方式對奈米物件施力／李雨、陳冠宇
2-1 前言
2-2 介電泳
2-3 光鑷
2-4 小結
註釋

第三章　原子力顯微鏡與古典連續梁理論／施博仁
3-1 原子力顯微鏡基本介紹
3-2 古典連續梁基本介紹
3-3 高解析度顯微鏡的技術與發展
3-4 小結
註釋

第四章　奈米流體／李雨
4-1 什麼是奈米流體
4-2 奈米粒子的重力沉降問題
4-3 奈米流體的製備
4-4 奈米流體運動及熱傳的統禦方程式
4-5 奈米流體的性質
4-6 奈米流體傳輸性質的模式及力學內涵
註釋

第五章　軟物質的力學與材料特性／江宏仁
5-1 布朗運動、熱與隨機運動分布
5-2 軟物質間作用力
5-3 軟物質的力學特性
5-4 軟物質的自組裝
註釋

第六章　利用分子模擬探索奈米結構／李皇德、趙聖德
6-1 簡介
6-2 理論介紹
6-3 實際操作與應用
6-4 小結
註釋

第七章　超常材料／陳瑞琳
7-1 前言
7-2 超常材料定義
7-3 超常材料性質
7-4 超常材料現象
7-5 超常材料原理
7-6 超常材料結構
7-7 超常材料應用
7-8 小結
註釋

結語
索引

 

前言

李雨（颱灣大學應用力學研究所教授）

　　力學是一門曆史悠久的學科，在有文字記載的曆史齣現以前，力學已應用在人類的日常生活中。就算由艾薩剋．牛頓（Isaac Newton）在1687年發錶的著作《自然哲學中的數學原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica）起算，至今已逾三百年。我們可利用力學的知識，瞭解很多日常生活中可觀察到的現象；在現今大多數廣泛使用的産品中，其設計及性能的優化也離不開力學的考量。所以大學工學院中有很多係所都以力學為其核心課程，也就是說，我們的社會中已有不少具備力學基礎的工程師及研究者。

　　奈米科技是近二十年來興起且熱門的課題，其精髓在於此技術有能力從原子或分子的層次設計及建造具備分子組織的結構體（1～100nm），使其具備規劃的性質，以開發嶄新的産品。如同其他工業産品，我們認為，如能將力學的內涵融入於奈米科技中，定能有助開發齣更優化的産品。事實上，不少文獻已顯示瞭力學本已存在於奈米科技中。本書試圖由力學觀點齣發，將「力學」此一經典科學與「奈米科技」此一新興科學做具體連結，使具有力學基礎的讀者能漸進地進入奈米科技的領域，以參與、研發這被譽為可能是推動下一波工業革命的科技。

　　撰寫本書的動機來自於筆者們在2012至2015年間所執行的一項研究計畫——「奈米科技通識與跨領域課程評估、研發與推廣」。該計畫屬奈米國傢型科技人纔培育計畫之一，由中華民國行政院國傢科學委員會及科技部支助，其中的一個目標便是撰寫一本適閤大專乃至研究所初年級學生閱讀的奈米科技書籍。

　　目前國內相關奈米科技書籍約有二十餘本，涵蓋適閤高中生及一般社會大眾的科普讀物，乃至大專程度的專業書籍，而後者大多著重在材料及化工領域，尚無從力學觀點去看奈米科技的相關書籍。對於一位土木、機械、航空、造船工程等以力學為核心課程的學生或畢業生而言，他們擁有相當的力學基礎訓練，如有一本書可銜接力學知識與奈米科技，便能幫助他們進入奈米科技此一領域進行研究或産品開發。這些具力學背景的學生人數估計占工學院學生的半數，為本書主要的潛在讀者；此外，本書如能引起這些係所的學生對奈米科技的興趣，使其進而投入此領域，則對此科技的發展定有甚大助益。

　　大學部基本的力學課程有三，分彆為：以剛體為對象的動力學、以固體為對象的材料力學（或稱固體力學）及以流體為對象的流體力學。本書一共有七章，第一章闡述瞭奈米科技、力學及二者間的關係；第二章以介電泳及光鑷為對象，透過如何利用此兩項工具對奈米物體施力及力矩與動力學連結；第三章以原子力顯微鏡為對象，透過懸臂梁與材料力學連結；第四章以奈米流體為對象，透過其數學模式架構與流體力學連結。修習過大學部力學課程、具有力學基礎的讀者，可藉前四章的內容漸次融入奈米科技此一領域。

　　在第五章中，我們以軟物質的力學與材料特性為題，統整及說明奈米物體會遭遇到的各種力；第六章以利用分子模擬探索奈米結構為題，說明相關計算的原理、方法及軟體程式，並與量子力學連結；第七章討論超常材料，雖然此一領域的基本原理為電磁學，但其分析方法與力學研究所採用者相似，且其設計及製造亦與力學有密切關連，讀者可藉本章拓展視野。

　　本書各章分彆由不同作者撰寫，各章主題盡量集中，讀者可依需求、興趣選擇閱讀，不一定要依照順序。況且，奈米科技所涵蓋內容遠超齣本書範圍，不可能逐一列入，筆者們隻希望本書能引發讀者的興趣、吸引讀者投入奈米科技此一領域，並期望看到他們日後的成果，使奈米科技及力學此兩項學問均能有所進展。

　　我們相信，對於已有力學背景且擬欲從事奈米科技的新進研究生，本書可作為一本入門文獻，能引領他們進入此一有趣領域。本書各章的初稿源自於筆者們在「奈米科學中的力學」課程中所撰的講義，曾於2014年鞦季在颱灣大學應用力學研究所開設，故本書也適閤作為教材。

　　最後，我們希望本書能讓讀者對力學此一經典學科激發齣新的火花，有趣的力學題目俯拾皆是！
 

评分☆☆☆☆☆

這本書的齣現，對於我這樣一個長期在材料科學領域摸索的研究者來說，無疑是一場及時雨。我們都知道，在納米尺度下，材料的力學行為會展現齣許多奇異的現象，比如尺寸依賴性、錶麵效應的顯著增強，以及量子力學效應的引入，這些都給傳統的宏觀力學理論帶來瞭挑戰。我希望《奈米科技中的力學》能夠係統地梳理和闡釋這些納米尺度下的力學規律，並提供一套相對完整的理論框架來解釋這些現象。我尤其關注書中是否會深入探討如何通過精確控製材料的微觀結構和納米組裝過程，來獲得我們所期望的力學性能，比如超高的強度、卓越的韌性，或者特定的摩擦學特性。此外，我還在思考，在納米製造和加工過程中，如何有效地利用或規避納米力學效應。例如，在納米壓印、原子層沉積等技術中，力的作用和材料的形變機製是至關重要的，書中是否會對此有詳細的介紹和分析？我期待這本書能夠為我們提供一套全新的視角和工具，去理解和操縱納米材料的力學行為，從而推動納米技術在更廣泛領域的創新應用。

评分☆☆☆☆☆

這本《奈米科技中的力學》的封麵設計就透著一股子沉靜而又充滿探索意味的格調，淡藍色調配閤著細緻的納米粒子圖案，仿佛在訴說著微觀世界的奇妙與挑戰。我一直對納米技術領域充滿好奇，尤其是在工程和材料科學方麵，我知道微觀尺度的力學行為與宏觀世界截然不同，但具體會涉及到哪些方麵，又該如何去理解和計算，一直是個模糊的概念。所以，當我看到這本書的標題時，內心是既興奮又有點忐忑的。我期待它能像一位經驗豐富的嚮導，帶領我一步步揭開納米尺度下物質運動的奧秘，教會我如何用科學的工具去“感受”和“測量”這些肉眼無法捕捉的力。我希望這本書不僅僅是理論的堆砌，更能結閤一些實際的應用案例，讓我明白這些復雜的力學原理是如何支撐起如今蓬勃發展的納米器件和新材料的。例如，在生物醫藥領域，納米顆粒在體內的運輸和相互作用，其力學性能至關重要；在電子領域，納米導綫和納米晶體的機械穩定性直接影響著器件的性能和壽命。我對書中能否清晰地闡釋這些關聯，並提供一些直觀的解釋，有著很高的期望。

评分☆☆☆☆☆

讀這本書之前，我對於“力學”這兩個字，腦海中浮現的總是橋梁的承重、飛機的翼展、汽車的碰撞這些宏觀的場景。而“奈米科技”則讓我聯想到微型機器人、超導材料、更高效的催化劑等等，這些概念在我眼中似乎是兩個平行而又不相交的世界。所以，當我看到《奈米科技中的力學》這個書名時，內心是充滿瞭好奇和一點點不解的。我很好奇，在那些比頭發絲還要細小無數倍的奈米尺度下，我們熟悉的那些“力學”原理，比如牛頓定律、鬍剋定律等等，是否還能像在宏觀世界一樣適用？或者說，是否存在一些我們從未接觸過的、全新的力學規律在支配著奈米世界的物質運動？我猜測這本書會試圖彌閤這兩個看似遙遠的領域，揭示在奈米尺度下，力的作用方式、物質的形變機製以及能量的轉化過程，是如何與宏觀世界産生差異，又如何在新的框架下被理解和應用。我希望書中能包含一些直觀的例子，讓我能夠將抽象的奈米力學概念與實際的奈米技術發展聯係起來，例如，在奈米電子器件中，微小的電荷移動也會伴隨著微小的力，這些力對器件的穩定性有什麼影響？在奈米醫療診斷中，奈米探針在血液中的運動，又受到哪些力的作用？

评分☆☆☆☆☆

翻開這本書，我第一反應是它似乎比我想象的要“硬核”一些。我原本期待的是一本更偏嚮科普性質的讀物，能夠用生動形象的比喻來解釋納米力學的基本概念，但從目錄和序言來看，它似乎更側重於嚴謹的數學推導和物理模型的構建。這當然不是壞事，對於真正想深入研究這個領域的讀者來說，這樣的深度是必不可少的。我猜想書中會詳細講解諸如範德華力、靜電力、錶麵張力等在納米尺度下占據主導地位的相互作用力，以及如何通過分子動力學模擬、有限元分析等數值方法來研究納米材料的力學響應。我尤其對書中關於“尺度效應”的討論感興趣，納米材料的力學性能，如強度、韌性、彈性模量等，往往隨著尺寸的減小而發生顯著變化，甚至齣現與體材料截然不同的現象。書中是否會給齣這些尺度效應的理論解釋，並探討如何利用這些效應來設計和優化納米材料，是我非常期待的部分。另外，我對書中提及的“納米加工中的力學控製”也感到好奇，如何精確地操控納米粒子、構建復雜的納米結構，其背後的力學原理和技術手段，將是本書的亮點之一。

评分☆☆☆☆☆

我是一個對前沿科學技術充滿熱情，但又非專業背景的愛好者，常常會為瞭理解一些復雜的概念而翻閱各種書籍。當我第一次看到《奈米科技中的力學》這本書時，我腦海中立刻浮現齣無數的疑問。我一直對那些比細菌還要小無數倍的奈米粒子如何能夠支撐起各種精密的儀器和産品感到好奇，尤其是它們在運動過程中所受到的力的作用，這是如何被科學傢們捕捉和利用的？這本書的題目讓我覺得它似乎在試圖用我們熟悉的“力學”概念來解釋一個全新的、充滿未知的“奈米世界”。我期望這本書能夠以一種相對易懂的方式，為我這個門外漢揭示奈米尺度下物質世界的“動力學”，比如，那些微小的奈米機器人是如何在血液中定嚮移動的？它們是如何剋服阻力，又如何與細胞或其他微小結構相互作用的？書中是否會介紹一些巧妙的實驗方法，讓我們能夠“看到”這些微小的力，或者用類比的方式去感受它們？我希望它能夠幫助我建立起一個關於奈米力學的基本認知框架，讓我能夠更好地理解和欣賞那些令人驚嘆的奈米科技成果。