臺(tái)灣物理研究發(fā)展概述（下）

韋大成++李旭豐

統(tǒng)計(jì)與計(jì)算物理

在統(tǒng)計(jì)與計(jì)算物理方面，臺(tái)灣科學(xué)家開展對(duì)軟物質(zhì)與復(fù)雜系統(tǒng)的研究，包括展透、混沌研究，探討不同離子溶液系統(tǒng)的電性；通過(guò)對(duì)非平衡現(xiàn)象的圖案形成研究，探討解決法拉第波、化學(xué)BZ反應(yīng)及生物圖案問(wèn)題；對(duì)活躍液態(tài)膜首次建立其理論模型，對(duì)帶蛋白質(zhì)的脂肪膜在細(xì)胞的型變及穩(wěn)定性的了解提供基本理論框架。

近年來(lái)取得的成果包括：發(fā)現(xiàn)材料斷裂現(xiàn)象的圖形形成機(jī)制，展透及自旋相變模型的普適尺度函數(shù)，易行模型及一維量子模型等有限系統(tǒng)在臨界點(diǎn)的修正項(xiàng)及其普適量，易行模型的動(dòng)態(tài)臨界行為有普適臨界指數(shù)及普適函數(shù)，摩擦模型在周期性邊界下的自組臨界性，靜準(zhǔn)斷裂現(xiàn)象中的圖形形成與選擇，螺旋裂隙的形成機(jī)制，二維流體及半導(dǎo)體微波元件由周期運(yùn)動(dòng)至混沌變化之過(guò)程等。

此外，他們還建立用多重正則蒙地卡羅模型法計(jì)算蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的程序集，以及用并行電腦計(jì)算蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的算則及程序集；求出有長(zhǎng)程相關(guān)性的生物巨分子發(fā)生折迭現(xiàn)象的條件；發(fā)現(xiàn)在鐵磁性物質(zhì)及自旋玻璃之間有性質(zhì)頗類似蛋白質(zhì)的低溫物質(zhì)存在；發(fā)現(xiàn)在蛋白質(zhì)家族及超級(jí)家族，胺基酸系列有長(zhǎng)程相關(guān)性或反相關(guān)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(tái)灣科學(xué)家取得的成果包括：利用目前常用的二階流閉合，進(jìn)行非等向性紊流模式的發(fā)展及應(yīng)用研究；進(jìn)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(xiàn)象和顆粒流及堵塞現(xiàn)象等研究；利用顆粒流流過(guò)一個(gè)二維漏斗裝置進(jìn)行堵塞實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)漏斗出口大于顆粒直徑約5倍時(shí)，堵塞機(jī)率隨出口變小而增大以致完全堵塞，從堵塞時(shí)顆粒排列的規(guī)律可建立簡(jiǎn)潔的幾何統(tǒng)計(jì)理論并成功的計(jì)算出堵塞機(jī)率。

由臺(tái)灣中研院數(shù)學(xué)所與臺(tái)灣大學(xué)數(shù)學(xué)系合作完成的流體力學(xué)二維數(shù)值計(jì)算程序的研發(fā)，在全球同等級(jí)程序中居領(lǐng)先地位。其優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確性及其自引力的運(yùn)算，已成功應(yīng)用于星系盤與原行星盤的研究工作，有系統(tǒng)地分析了棒形旋轉(zhuǎn)體驅(qū)動(dòng)下星系中央氣體盤的結(jié)構(gòu)與演化，并成功解釋了星暴環(huán)與高密度分子中央氣體盤的產(chǎn)生，目前正應(yīng)用于拱星盤的形成及演化研究。

臺(tái)灣中研院數(shù)學(xué)所研究人員自2000年開始對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)最主要的波茲曼方程進(jìn)行定量分析。2012年，他們利用格林函數(shù)對(duì)邊界層和非線性波進(jìn)行深入分析，所提出的格林函數(shù)具有獨(dú)創(chuàng)的時(shí)間漸進(jìn)方法，比以前的定量方法更為精準(zhǔn)。

生物物理

在生物物理方面，臺(tái)灣科學(xué)家曾開展神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集體性觸發(fā)機(jī)制、蛋白質(zhì)折迭、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與分子演化、DNA物理特性及脂膜與蛋白質(zhì)作用等研究。

蛋白質(zhì)折迭是生物物理中一個(gè)重要的問(wèn)題。給定氨基酸序列，如果能成功地預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的形狀與功能，不僅對(duì)目前的制藥科技有極大的幫助，也可以在理論上設(shè)計(jì)新藥以對(duì)付疾病。2006年，臺(tái)灣新竹清華大學(xué)物理系牟中瑜等人發(fā)現(xiàn)，氫鍵與親水厭水性無(wú)法解釋小蛋白質(zhì)中結(jié)構(gòu)的存在，進(jìn)一步的研究指出，蛋白質(zhì)主結(jié)構(gòu)上有電偶極存在，重要是這些電偶極的組態(tài)與蛋白質(zhì)形狀有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，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(tuán)隊(duì)找到可以有效折出蛋白質(zhì)形狀的真實(shí)的位能，并且可以在一般的個(gè)人電腦上，在合理的時(shí)間內(nèi)（數(shù)小時(shí)之內(nèi)）有效地折迭真實(shí)的蛋白質(zhì)，如免疫球蛋白的一段，而這在以往是做不到的。

2007年，臺(tái)灣中研院原子分子所研究人員推出世界上第一個(gè)掌上型簡(jiǎn)易癌癥檢測(cè)系統(tǒng)，利用其自行研發(fā)的BMVC探針?lè)肿拥臒晒馓匦约皩?duì)癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的不同反應(yīng)，因BMVC熒光探針?lè)肿舆M(jìn)入癌細(xì)胞的細(xì)胞核比進(jìn)入正常細(xì)胞的細(xì)胞核快很多，而且進(jìn)入細(xì)胞核與DNA作用后，熒光可增強(qiáng)達(dá)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(cè)癌細(xì)胞，且能擁有約75%的準(zhǔn)確度。

在眾多的納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)中，鉆石被認(rèn)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(jīng)由黃綠色激光照射后，能夠產(chǎn)生明亮的遠(yuǎn)紅外熒光，對(duì)生物細(xì)胞及組織的穿透力很強(qiáng)，適合生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。2008年，臺(tái)灣中研院原子分子所張煥正等人發(fā)現(xiàn)，鉆石的晶格缺陷可以藉由中能量、高通量的氦離子束來(lái)轟擊產(chǎn)生，因此可以在實(shí)驗(yàn)室中大量生產(chǎn)熒光納米鉆石，其材料的熒光強(qiáng)度及穩(wěn)定度都很高，即使小到25納米的粒子，仍保有優(yōu)越的光物理特性，適合于活體的生物顯影。

臺(tái)灣科技人員在2009年發(fā)現(xiàn)，由于金納米棒在近紅外波段有強(qiáng)烈的表面等離子體共振特性，因此可清楚地看到細(xì)胞內(nèi)由金納米棒受雙光子激光照射過(guò)程而產(chǎn)生的熒光點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)非常有利于即時(shí)性的雙光子顯微圖像觀察，并可監(jiān)控金納米棒產(chǎn)生的光熱效應(yīng)與如何殺死癌細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，由于金納米棒的光熱效應(yīng)，引發(fā)癌細(xì)胞局部高溫氣化膨脹，導(dǎo)致細(xì)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(xì)胞光熱解作用的機(jī)制與過(guò)程，并有助于光熱療法應(yīng)用在臨床上。

神經(jīng)退化性疾病是指神經(jīng)結(jié)構(gòu)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(zhì)在腦部發(fā)生群集現(xiàn)象而造成腦神經(jīng)退化或死亡。2010年，臺(tái)灣中研院物理所胡進(jìn)錕等人發(fā)現(xiàn)影響蛋白質(zhì)群集現(xiàn)象的關(guān)鍵因素，例如阿爾茲海默癥乃源自蛋白質(zhì)Aβ40（含40個(gè)胺基酸）和Aβ42（含42個(gè)胺基酸）群集現(xiàn)象，而杭丁頓舞蹈癥和小腦脊髓萎縮癥乃源自PolyQ蛋白質(zhì)（包含許多谷氨酰胺的蛋白質(zhì)）的群集現(xiàn)象，這些發(fā)現(xiàn)可望揭開蛋白質(zhì)群集現(xiàn)象的神秘面紗，為預(yù)防或治療神經(jīng)退化性疾病開一扇希望之門。

生命的種種活動(dòng)都需要通過(guò)蛋白質(zhì)間的交互作用來(lái)進(jìn)行，目前用來(lái)檢測(cè)蛋白質(zhì)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(shù)，都存在某項(xiàng)缺點(diǎn)。2010年，臺(tái)灣中研院原子分子所陳逸聰?shù)热搜邪l(fā)出以硅納米線場(chǎng)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(shí)回應(yīng)、無(wú)標(biāo)記檢測(cè)、極少量樣品需求，以及快速篩選的許多優(yōu)異特性。

該所王玉麟等人研發(fā)的捕捉與探測(cè)細(xì)菌雙功能快速檢驗(yàn)芯片，利用芯片表面上第一層的萬(wàn)古霉素，將血液中的細(xì)菌牢牢地抓住，以便第二層的銀納米粒子陣列來(lái)放大細(xì)菌表面分子的拉曼光譜信號(hào)。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(lái)區(qū)分細(xì)菌的種類。由于這種細(xì)菌檢驗(yàn)芯片具有超高的靈敏度，在幾秒鐘之內(nèi)就可以取得單只細(xì)菌的光譜，因此可以省略傳統(tǒng)檢測(cè)方法中必須耗費(fèi)幾天甚至數(shù)周的細(xì)菌培養(yǎng)步驟，可望在短短幾小時(shí)內(nèi)篩檢出菌血癥與敗血癥病人血液中的細(xì)菌。

臺(tái)灣中研院原子分子所2011年設(shè)立非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，不僅探討生物分子的非線性光學(xué)特質(zhì)，并將此特質(zhì)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)工程、化學(xué)、生物與醫(yī)學(xué)的跨領(lǐng)域研究。在多光子顯微術(shù)領(lǐng)域，臺(tái)灣科學(xué)家研發(fā)的光學(xué)顯微鏡技術(shù)，已應(yīng)用于多項(xiàng)領(lǐng)域，例如，二倍頻顯微術(shù)利用非中心對(duì)稱生物組織的特性，作為圖像的對(duì)比來(lái)源，不需任何標(biāo)定即可有效地對(duì)生物組織進(jìn)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(jié)構(gòu)。

有別于許多生物物理和生物醫(yī)學(xué)的研究是在較單純的體外環(huán)境下進(jìn)行細(xì)胞或組織的實(shí)驗(yàn)；另一項(xiàng)積極研發(fā)的技術(shù)是在活體生物體內(nèi)以分子多光子激發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行光學(xué)造影，其重要研發(fā)成果之一是將多光子光學(xué)顯微術(shù)應(yīng)用于觀察活體動(dòng)物，在最自然的環(huán)境下從事生物物理與生物醫(yī)學(xué)的研究。肝臟疾病在臺(tái)灣島內(nèi)是重要的健康問(wèn)題之一，現(xiàn)階段在小鼠內(nèi)觀察活體肝臟的造影技術(shù)，已成功觀察到小鼠內(nèi)肝膽功能運(yùn)作并加以量化。

除了基礎(chǔ)科學(xué)研發(fā)之外，臺(tái)灣學(xué)者也積極發(fā)展先進(jìn)光學(xué)顯微術(shù)的應(yīng)用。在生物系統(tǒng)內(nèi)，一項(xiàng)重要的課題是了解分子與納米材料在生物組織內(nèi)的運(yùn)輸機(jī)制。例如，若可以了解物質(zhì)進(jìn)入皮膚的機(jī)制，藥物或具有醫(yī)療效果的納米粒子便可有效的進(jìn)入體內(nèi)進(jìn)行治療。為此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用光子造影以厘清納米粒子在皮膚內(nèi)的傳遞機(jī)制，另外還成功地使用多光子顯微術(shù)研究帶有不同電荷納米粒子在活體老鼠內(nèi)的運(yùn)輸機(jī)制。