五南官網-薄膜科技概論

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薄膜科技概論

作　　者：王大銘、呂幸江、阮若屈、李亦宸、李岳憲、李魁然、安全福、洪維松、胡蒨傑、孫一明、崔玥、莊清榮、陳世雄、陳榮輝、高從堦、童國倫、黃書賢、游勝傑、楊台鴻、張雍、劉英麟、賴君義、賴振立、鍾台生、韓剛、羅林
主　　編：賴君義
出版社別：五南
出版日期：2019/07/01(1版1刷)
ＩＳＢＮ：978-957-763-344-6
書　　號：5DK7
頁　　數：640
開　　數：16K
定　　價：800元
優惠價格：720元

　　鑒於國內學界參與薄膜科技研究及業界運用膜者眾，但缺少一本適當的書籍，既可作為學界的教科書，也提供自修者學習的參考書。因此，撰寫一本薄膜科技的專門書籍，是編者多年來的願望。希望此書面世能成為產學界投入薄膜科技研發學習的重要參考書。
　　本書涵蓋傳統薄膜科技以及新興薄膜領域，從基礎學理說明到應用領域的解析。第一部分為薄膜科技基礎與學理篇；第二部分以薄膜應用為範疇，進行薄膜的結構與分離特性介紹；第三部分則以薄膜分離在生物科技與醫學上的應用為標的，學習者可以透過本書完整地認識薄膜科技的技術以及知識。
　　期待本書能成為人才培育「薄膜化」的平台，擴展薄膜知識的傳播。

●編著者（依姓氏筆畫排序）

王大銘
台灣大學化工系教授
台灣大學化工系前系主任

呂幸江
長庚大學化材系教授
長庚大學化材系前系主任

阮若屈
前中央大學化工系教授

李亦宸
逢甲大學化工系助理教授

李岳憲
台灣大學化工系博士

李魁然
中原大學化工系特聘教授
中原大學薄膜中心前主任

安全福
北京工業大學環境與能源工程系教授兼學院副院長

洪維松
台灣科技大學應用科技所副教授

胡蒨傑
台灣科技大學應用科技所教授

孫一明
元智大學化材系教授
元智大學化材系前系主任

崔玥
新加坡國立大學化學與生物分子工程學系博士

莊清榮
中原大學化工系教授
中原大學薄膜中心副主任
中原大學化工系前系主任

陳世雄
嘉南藥理大學環工系教授

陳榮輝
中原大學化工系教授
中原大學化工系前系主任

高從堦
浙江工業大學海洋學院教授兼院長
中國工程院院士

童國倫
台灣大學化工系教授
中原大學薄膜中心前主任

黃書賢
宜蘭大學化材系教授兼系主任

游勝傑
中原大學環工系教授
中原大學生環系前系主任

楊台鴻
台灣大學醫工研究所教授
台灣大學醫工研究所前所長

張雍
中原大學化工系特聘教授
中原大學薄膜中心主任

劉英麟
清華大學化工系教授
中原大學薄膜中心前副主任

賴振立
嘉南藥理大學環工系教授兼系主任

鍾台生
新加坡大學化學與生物分子工程學系教授
新加坡工程院士

韓剛
麻賽諸塞大學生物化學與分子藥理學系副教授

羅林
新加坡大學化學與生物分子工程學系博士

賴君義

美國蒙大拿州立大學化學工程學系博士
國立台灣科技大學應用科技研究所榮譽講座教授
第18屆教育部國家講座主持人

經歷
中原大學化工系講座教授、系主任、工學院院長、研發室主任
中原大學薄膜技術研發中心創辦人／主任
亞澳薄膜學會諮詢委員、會長
台灣薄膜學會理事、理事長
科技部工程處化工學門召集人
第51屆教育部學術獎、科技部傑出特約研究員
台灣化學工程學會暨高分子學會會士

1-1 前言
　　薄膜分離技術應用層面廣泛，在水資源匱乏、環保意識抬頭、醫療需求殷切的今日，許多新的薄膜應用被開發出來，也製造出許多新型薄膜，並持續投入更多的研發能量在薄膜科技上。薄膜科技在21世紀，因其應用性廣及各項產業，例如水資源開發、再生能源創造、環境保護及醫療產業等，已躍升為全球矚目之重點產業。日常所見之濾水或逆滲透過濾器就是眾所皆知的薄膜裝置。在製造乳酪、啤酒等食品的過程中，也處處可見薄膜裝置的使用。化學工業與電子工業更是使用薄膜的大戶，舉凡廠區用水、無塵室的空氣濾清，以至於化學品的分離與回收，薄膜裝置都扮演著重要的角色。此外，醫療事業使用的薄膜數量更是驚人，靜脈注射與血液透析膜裝置必然使用薄膜，更為人所熟知。科技的進步改變了人類生活的步調，或許大家應該透過更多的學習，啟發更多關於薄膜設計及應用的靈感，也刺激人們尋求更高階的薄膜技術來滿足生活需求。

1-2 膜的定義
　　廣義的薄膜定義為：由一具有選擇性的阻礙層（selective barrier）分隔兩相物質。但它如何具有選擇性分離的能力呢？在西元1867年，近代電磁學理論的創始人馬克斯威爾（James Clerk Maxwell）提出了一個著名的假想實驗（圖1-1）。他假設在兩個連通的容器間有一個可以辨識分子的幽靈，幽靈手中掌握了連通口柵門的開關。容器中有兩種分子，一種運動速度快，另一種運動速度慢。當左邊容器中運動速度快的分子靠近連通口時，幽靈會把柵門打開讓運動速度快的分子跑到右邊容器中，然後馬上關上柵門；當右邊容器中運動速度慢的分子靠近連通口時，幽靈也會打開柵門讓運動速度慢的分子跑到左邊，然後關上柵門。幽靈持續管制分子的進出，時間久了之後，大部分速度快的分子會跑到右邊的容器中，而速度慢的分子則會集中到左邊容器中。
　　這樣的幽靈可以把原本混合均勻的兩種分子分開，因此系統變得較有秩序，亂度（entropy）因而減少。而且依據分子動力學，分子速度快的系統溫度較高，速度慢的系統溫度較低，兩容器將產生溫差。這樣的結果會違反熱力學第二定律，因此，馬克斯威爾提出，只要有上述的幽靈存在，熱力學第二定律（系統應朝向亂度高的狀態演變）就不成立。這種可以辨識分子並管制其進出的幽靈，就被稱為馬克斯威爾的幽靈（Maxwell’s demon）。
　　馬克斯威爾的假想實驗，或許只是想跟研究統計熱力學的學者開個玩笑，但卻也引發了許多後續的研究和討論。目前被大多數人接受的解釋是：馬克斯威爾的幽靈在進行分子的辨識和進出管制時，不可能如馬克斯威爾假想的完全不耗損能量或不增加亂度，只要把幽靈所需的能量或所增加的亂度納入考量，還是不會違背熱力學第二定律。不過這個假想實驗指出，以辨識分子並管制進出的方式分離原本混合均勻的兩種分子，是最節省能量的分離方法。理論上，以上述的方法分離兩種沒有交互作用分子的均勻混合物時，有機會在只使用最小能量（根據熱力學第二定律，就是補償分離後的亂度減小所需的能量）的狀態下，達成分離的目標。因此，馬克斯威爾幽靈的法力雖然無法高強到讓熱力學第二定律不成立的地步，但只要有可以辨識分子並管制進出的幽靈存在，就有機會在不違反熱力學第二定律的狀況下，以最小的能量分離混合物。當然，所需能量的大小和幽靈的法力高低有關。

　　一、自然演化的薄膜
　　具有辨識並管制分子進出能力的馬克斯威爾幽靈，事實上老早就存在於生物體內。在馬克斯威爾提出幽靈假想實驗的一百多年前（西元1748年），法國修道士（也是著名的物理學家）Jean-Antoine Nollet就觀察到豬膀胱壁會讓水透過，但卻幾乎不會讓酒精（乙醇）透過。後來法國生理學家Henri Dutrochet發現細胞膜也同樣具有選擇分子的能力，只讓水透過而不讓鹽透過，在1826年的一篇論文中稱這種現象為滲透（osmosis），且確認細胞膜是半透膜，從此開啟了人類對半透膜和滲透現象的研究。
　　隨著生物學和生理學的進展，科學家發現生物體內到處都有具選擇分子能力的半透膜，如腎小球處的血管壁可以讓尿素、尿酸等小分子透過，卻不讓血液中的蛋白質和血球透過；肺泡表面微血管則對氣體有很高的通透性。到了20 世紀，當科技進展到可以分析細胞膜的結構和功能時，人類更進一步認識到，生物經千萬年演化後，所發展出來的細胞膜具備幾近完美的分子辨識和篩選能力。
　　細胞因有維繫生存和展現功能的需求，確有需要發展出控制分子進出細胞膜的能力，可以從周遭的環境中選擇需要的分子，讓它進入細胞，而把不需要的物質阻擋在外或加以排除。細胞若能用最少的能量維持生命和功能，在生存的競爭中當然占有優勢。經過千萬年演化出的生物細胞膜，已發展出一套十分有效率的分子辨識和進出管制方法，細胞膜是目前已知法力最高強的馬克斯威爾幽靈。

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