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「複雜系統與電漿科學」領域

 

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強場雷射電漿物理及應用 複雜系統尖端實驗 非線性複雜系統科學理論

 

分項計畫2:複雜系統尖端實驗

2014/01/09更新

複雜系統研究中心          

整體規劃及具體實施策略

在數百年科學分工細化與物理發展所遵循的化約論制約下,傳統的物理研究,以線性手法處理自由度低的簡單系統,因此對複雜度高的系統乃至於生物系統,物理學往往束手無策,無法探討、瞭解、預測其動力行為。然過去二三十年,透過非線性動力學、統計力學、電腦計算與模擬能力、各式數位量測系統與單分子生物操控的發展,複雜系統的研究由物理學出發演展出涵蓋至其他領域的重要新興課題。複雜系統為由大量個體單元組成之非線性體系,透過其開放邊界與外界所交換的質量、能量,與組成份子間複雜非線性相互作用及回饋,使系統在適當調控下,自組產生獨特的有序至無序共同行為。當代複雜系統研究涵蓋極廣,在物理領域中的流體、電漿、軟物質、至地球科學、生物、交通、經濟、社會等行為均為當代複雜系統研究所探討的課題。本分項計畫以物理系複雜系統研究團隊成員為主,生科、化材、及同步輻射中心、中研院與物理系合聘部分成員為輔,對當代物理與生物系統部分重要課題,進行小型尖端實驗研究。涵蓋微粒電漿液體、複雜液體、細胞與生物流體動力行為、心臟與神經系統、生物膜等研究議題。其目的為強化不同實驗室之發展與整合,透過共用儀器平台之建置,與團隊成員合作交流,發展對數項不同議題但具共通特性、理論基礎與實驗技術的尖端複雜系統創新研究。從生物系統之細菌之分子與細胞膜尺度,鞭毛馬達運動,細菌群體運動流體力學,神經與心臟動力行,乃至非生物多體複雜系統如顆粒液體、微粒電漿液體的微觀動力行為、紊流波行為等進行研究。以對不同尺度之系統,透過調控網絡,訊息傳遞,交互作用,所造成的結構演變與集體運動,進行系統的全面深度瞭解。希望藉由本計畫,再次大幅提昇我們的研究能量,全面培育跨領域人才,強化在國際學術界之影響力。

生物體系為非平衡、複雜系統之極致,並存在很多未解之重要基礎問題,如細胞之間之訊息如何傳遞而導致細胞分化成為具功能之器官,細菌如何溝通及對外界環境之反應而決定其演化,單一細菌如何透過分子馬達驅動鞭毛運動與停下,分子馬達如何高效率運轉、細菌團簇的集體運動、細胞網路與器官的集體同步行為等,皆為複雜系統及生物物理之熱門課題,且可能在生物與醫學方面有多面向之應用,故在此分項計劃中將探索多項生物物理相關重要課題,由生物分子至大尺度系統,建立全尺度之生物物理平台,以供不同子計畫所需的如細菌之分子生物尺度分子馬達、脂膜研究、調控網絡、鞭毛馬達運動、至大尺度如神經、心臟系統與細菌團簇系統的非平衡動力研究使用。除了繼續深耕我們現有的跨數理與生物的基礎科學知識之外,也要將它們應用在與藥物、醫療、有直接、間接關係的課題上。尖端實驗如下所列,其中多個項目(如生物物理相關實驗及非平衡物理實驗)並與分項一之下游應用之系統緊密相關,且提供及支援所需之物理知識和實驗技術;亦與分項三之理論研究相互配為合。

強耦合微粒電漿系統中懸浮在電漿中的微粒可自組成氣態、液態、與固態,因其微米級的尺度,可透過數位光學顯微技術,直接觀測每一粒子的運動行為,為瞭解液體或固體微觀結構與動力行為與非線性波動行為的利器,本計畫中將持續多年的領先研究,探討非線性複雜系統中多年為徹底瞭解的非平衡問題如:玻璃態、微粒電漿紊聲波的微觀動力問題。其研究亦可與將展開可調控交互作用的氣浮式顆粒體系統的發展與其在不同調控粒子間作用力下所形成的固、液體、玻璃態相變等微觀觀測相較;更可與欲從事的DNA或聚合物、甚至細菌團簇的複雜流體行為相連接。

本計畫中諸研究子題,不論在基礎理論背景與實驗上均具有極大的關連性,將對各式複雜系統的非線性結構與動力行為進行研究。例如在強耦合微粒電漿系統中,微米尺度帶電的懸浮微粒可透過強大交互作用力自組成液態結構,為瞭解液態微觀尺度動力與結構行為的利器。在強交互作用與隨機熱擾動下冷液體可展現局域規則與混亂的多重尺度結構與動力行為,而此等動力行為與神經網路或心臟系統透過強交互作用力與隨機熱擾動驅動下所展現的同步與非同步發火行為極為類似,生物膜與油脂膜亦為二維的強耦合冷液態系統,其上更具獨特的離子通道。從複雜流體的觀點,微粒電漿流體、顆粒體、或生物系統如細菌所組成的複雜流體亦具有相當程度的共通多重時空尺度模態激發與能量轉移,生物流體更具有因其獨特自我趨動力所誘發的異質行為。在實驗方法與設施上,本子計畫中各式實驗亦分享諸多的共通實驗觀測與分析技術,例如量測與分析巨大動力範圍時空尺度所需的數位影像顯微觀測與分析技術,雷射局域操控技術等。另外生物相關實驗所需生物樣本準備、量測亦可在本中心前期計畫所建構的共用設施平台上完成。部分成員亦將利用雷射激發與探研神經、心臟與細菌細胞之膜電位與蛋白質活動的研究。本團隊保持與分項計畫一團隊進行合作研究,並與分項三的理論與模擬團隊積極進行對話討論與合作。

成果及特色

本實驗團隊為國內唯一複雜系統實驗相關大型整合研究團隊,成員涵蓋生物、軟物質、流體、顆粒體到電漿等複雜系統。團隊運作期間,每周均有固定共通演講,讓成員間有充分的交流與研討。生物物理與軟物質核心設施的設備提升方面,完成搭設超高解析度顯微鏡系統,增設通用型光譜儀與螢光顯微鏡升級。在各實驗團隊方面,已完成心律交替現象抑制的實驗與研究、細胞增生與移動的物理模型、完成胜肽插入生物膜完整過程實驗、單分子馬達力矩與驅動力實驗、磁珠串抑制自我推進粒子二維紊流研究、自我推進粒子地毯推力來源研究、生物自我組成旋轉螺旋研究、細菌菌落二維瓊酯表面微米操控系統、完成超親水石墨表面與調控調控親水度的研究、完成高分子對於咖啡圈效益的增益或抑制機制的研究、完成奈米碟型粒子分散或相分離的研究。 完成淺水波傳播動軌跡及波形演變之動力行為、完成三維微粒電漿即時觀測,研究其缺陷紊流波中存在與其時空動態行為、完成微粒電漿超冷液總結,探討其中微尺度晶格旋轉,碎裂,重組等集體動力行為。

各個研究團隊均掌握進度並且與相關團隊長期進行互動合作。