国中央大学发展国际一大学及顶尖研究中心计画

1國立中央大學「發展國際一流大學及頂尖研究中心計畫」96年自評報告完整版複雜系統與電漿領域發展計畫Developmentplanfortheresearchesincomplexsystemsandplasmasciences全程計畫：自民國95年1月至民國99年12月止本年度計畫：自民國96年1月至民國96年12月止執行單位名稱：複雜系統與電漿科技領域發展團隊計畫撰寫日期：96年07月31日2壹、計劃說明.................................................................................................3貳、執行成效與檢討分析(請具體說明突破性成果或績效)......................8一、研究計畫成果執行重點..........................................................................8二、研究計畫績效........................................................................................21三、研究成果、經費支出、人力分配及配合研究機構列舉細項............22四、附件一：2006年預算及計劃調整說明...............................................25五、附件二：................................................................................................27（一)論文發表..................................................................................................27（二)主辦大型研討會及國際會議..................................................................41（三)個人傑出成就..........................................................................................42六、附件三：發表於重要期刊及國際會議之傑出論文情形....................43七、附件四：科學與科技重要發展成就....................................................47八、附件五：自評檢討................................................................................49參、自訂績效及目標值達成情形...............................................................50肆、經費分配與執行情形...........................................................................53伍、未來發展方向（針對未來三年規劃）...............................................553壹、計劃說明複雜系統與電漿科技是中央大學的一項特色，人力資源與研究成果均為全國第一。本計畫利用五年五百億經費，對本領域的研究做重點補助，以發揮我們現有的優勢，並補足我們較欠缺的部分。同時，也藉此整合數學、理論物理、計算與實驗方面的研究能量，創造新的研究方向。希望在五年內，將這個領域的研究大幅提昇，達到亞洲第一的目標。中央大學在複雜系統及電漿領域是國內的領導學術單位，我們在這個領域有完整的研究基礎，充足的人力，以及持續的優良成果。本校在這個領域的優勢如下：1.伊林教授在1994年的一個突破性的實驗，觀測到微粒電漿中的庫侖晶格，從此開啟了微粒電漿這個領域。這項結果發表在Science上，至今仍是該領域的經典，該論文的引用數是在台灣所完成的科學論文中最高的一篇。伊林教授的團隊十餘年來一直維持是世界微粒電漿領域的領先團隊之一。2.劉全生教授與汪治平教授在2004年提出建造100TW雷射以研究雷射電漿作用，這個構想獲得國科會後卓越計畫支持，2005年起在本校開始建造100TW雷射。預計在今年完成後，這個雷射的能量與能量密度都將居全球前五名，是歐美的國家實驗室等級的設備。其研究課題都將是現在無法企及的新現象。3.非線性複雜系統方面的研究在中大進行多年，有深厚基礎。目前於電漿、太空、天文、軟物質、生物物理、計算物理等領域，已具國內公認最強大之研究隊伍，在這個領域領先國內其他研究單位近十年。近年國內在這個領域的研究人才與研究成果，有一半都在本校。由於優秀人才的不斷加入，大部分領域均獨步亞洲，成果受國際關注。譬如紐約時報曾專文報導我們在顆粒漏斗阻塞現象的研究成果。4.本校建立全國第一的「生物物理所」與「系統生物所」，以全新的角度研究生物問題，並統合物理，化學，數學，計算方面的研發能力，開創了新的方向。5.本校天文與太空所在自然電漿方面進行長期研究，國內沒有其他單位有相近的規模。6.本校生物物理所與中研院物理所及原分所在這個領域密切合作，中研院研究團隊在本校設立數個實驗室，雙方以合作團隊的方式進行研究，人力與資源上都獲得極大的助益。由上可知，中大在本領域是國內唯一能兼顧各個面向的研究，而具有全面性發展潛力的學術單位。因此，我們希望藉由本計畫，再次大幅提昇我們的研究能量，不但維持我們在國內的領先地位，更要成為世界一流的研究單位。4本計畫依複雜系統與電漿物理兩大主軸進行。這兩個方向都是實驗與理論並重，並經由模擬計算而密切連接，其內容為：1.複雜系統研究：領域發展以生物物理所為導向，結合生物資訊與系統生物所，及腦科學中心的人力。研究課題主要是生物物理，軟物質之實驗與理論，並涵蓋凝態奈米方面的實驗。研究課題包括：A.基礎複雜系統研究：包括非線性動力學，複雜流體，高分子物理，強關連系統等問題，複雜網絡。這些問題關係到基礎的數學與物理模型。B.軟物質：包括高分子材料，液晶，生物膜，DNA分子，蛋白質分子等物理性質。基本作法是研究生物有關物質的物理特性，並尋求其應用。C.生物物理：包括蛋白質與DNA之生物表現，離子通道，生物流體力學，基因與演化之數學模型，生物網絡，神經細胞科學，物種群聚行為等。2.電漿研究：結合實驗室中的電漿實驗與對自然界電漿現象的觀察，主題包括：A.實驗室電漿：包含雷射電漿實驗，微粒電漿實驗等。B.自然電漿：包含太空電漿，天文，與其他自然界電漿現象。C.強場電漿模擬：運用近年高度發展的平行運算技術，進行大規模的電漿計算。電漿與複雜系統在理論與計算的層次有許多共通之處，特別是非線性系統的研究，在兩個領域都是關鍵。因此，我們希望結合兩個領域的理論與計算研究，同時與數學糸共同成立一個「理學院數學與理論物理中心」，整合各領域的理論與計算人力，擴大領域之發展與合作。另外，在複雜系統的實驗方面，研究團隊已有一定規模，經本計畫建立生物物理與軟物質核心實驗室，購置大型貴重儀器，各項新的實驗將在今年陸續開動，將大幅提高實驗方面的能力。根據以上的規劃，本計畫除了總計畫外，分為四個子計畫，分別為（1）強場與強耦合電漿物理，（2）複雜系統科學之研究，（3）理學院數學與理論物理中心，（4）生物物理與軟物質共用核心設施。後三年年度計畫經費約為4500萬元/年，其中子計畫一因進入設置具體實驗站，需較大支出；子計畫四亦需補足核心儀器及週邊設施；子計畫三因數學與理論物理中心成立運作而需固定經費維持；子計畫二亦需增加博士後及訪問學者以補強足之研究人力。各計畫的功能與運作如下：5（分項一）強場與強耦合電漿物理分項計畫一的經費使用於雷射電漿實驗室及微粒電漿實驗室。雷射電漿實驗室正在執行卓越計畫，建造100TW雷射和附屬的實驗站。本計畫2006及2007年配合提供部分不足的經費（本校在提出卓越計畫時承諾的配合款）。2008年之後100TW雷射建造完成，將在數個研究方向同時進行一系列的前沿實驗，本計畫將提供經費增設實驗站，並維護整個實驗設施，包括聘用經常性的技術人員。微粒電漿實驗室已經是國際知名的該領域之領導實驗室之一，本計畫提供經費逐年更新儀器，以維持國際一流的優勢。計畫的主要工作項目包括：一、利用相對論性雷射電漿交互作用來製作KeV-Ｘ光自由電子雷射：KeV-Ｘ光自由電子雷射已經是下一代同步輻射的主要發展項目，但是傳統加速器和超導磁鐵陣列都是昂貴的設備。利用高功率雷射的有質動力可以在電漿中開闢一個電子匱乏的通道，這個通道佈滿正離子，可以同時導引光束和電子束的傳播。受到正離子的吸引，雷射電漿波所加速的電子在這種通道中可以進行橫向的振盪運動，並發出輻射。當發出的輻射沿著通道同相相加時，就產生了自由電子雷射。這個方法是利用電場而非磁場來誘導電子的運動，因此不需要超導磁鐵陣列。電漿通道的寬度只有約十微米，長度只有數毫米，可以將傳統的自由電子雷射縮小1000倍。二、利用雷射電漿交互作用來加速質子：放射醫療是質子加速器的一個很有潛力的應用。比起其他的輻射源，例如Ｘ射線、Gamma射線、中子、電子、質子是唯一能夠將輻射劑量侷限在很小範圍的射源。這是因為質子游離組織的速率在低能量時上升的非常快，在停止前一公分的行程內，可以加給組織30MeV的輻射劑量。然而質子束必須有足夠能量才能穿入人體深處，穿入15公分約需要140MeV的能量，如何以低成本的方法產生100MeV以上高品質的質子束，是目前輻射醫療的重要課題。已有理論上的研究顯示以雷射直接衝擊固體表面，約需1021W/cm2才能產生100MeV的質子，然而若以雷射控制的動態電漿結構來加速質子，也許能大幅降低所需要的雷射功率。經由雷射加速所產生的質子束在科學上也很有用。質子束能用來探測光無法穿透的高密度電漿，是研究高密度電漿的重要工具。利用質子束撞擊原子核，可以產生中子束。中子束具有磁矩，卻不受電場影干擾，因此是研究物質磁性的重要工具。利用雷射加速所產生的質子束和中子束都具有飛秒等級的時間解析的能力，可以用來研究快速變化的動力學問題，這是一項獨特的優勢。三、理論的建構與計算機模擬驗證：上述的兩個研究主題處於雷射電漿交互作用研究領域的最前沿，目前尚未有可靠的理論可用於評估實驗的條件和預期的結果，因此理論的建構和計算機模擬驗證也將是團隊的工作目標。6四、微粒電漿動力學：微粒電漿因其懸浮與電漿中之微米尺度微粒可以負載大量負電荷，形成一強耦合的多體系統，可將溫至液態或固態，並透過數位光學顯微觀測，直接追蹤每一微粒運動軌跡，為瞭解液態微觀動力行的極佳樣本系統。本團隊在過去數年已建立極佳基礎，本計畫中期望持續對微粒電漿在液態時的微觀動力行為，與非線性波動行為進行深入研究，並利用所建立之技術與物理圖像探討其他軟物質與生物系統的微觀動力行為。（分項二）複雜系統科學之研究本計畫利用中大複雜系統團隊優勢，整合亞洲地區和歐美研究人力，以求複雜系統的研究有更全面突破，發揮台灣在科學界之影響力。在基礎軟物質方面有一些理論及實驗成果，如膠体、帶電高份子等系統之基本物理，如帶電高份子溶液的相圖及電解溶劑的平均場理論、複合高份子在流場下之自組結構理論、微泡在陝縫之行為、高份子在湍流減阻之標度性等。在生物物理及生物材料方面更有多項實驗及理論成果，如生物膜及膜蛋白物理性質之理論、神經細胞之間訊息傳輸之物理機制、細胞間信息傳遞、物種之群體運動、DNA凝聚及堵塞、心臟及神經細胞之同步行為。在非線性動力學方面，我們結合生物物理方面的研究，發展演化方程、生物網路，圖案形成，神經細胞及生物物理在生理學等方面的研究。（分項三）理學院數學與理論物理中心本校數學與理