陳志軒助理教授
在科技部的補助下，2019年9月開學前，有幸透過科學與技術人員國外短期研究前往東北大學材料系進行訪問研究，一窺日本金屬研究領域首屈一指的東北大學以及其金屬研究所的風貌。日本東北大學(Tohoku University)位於日本東北地區的宮城縣仙台市，是舊制的帝國大學之一。而仙台是東北地區最大的城市，仙台藩主伊達政宗最早於此築城，因此奠定了仙台市的聚落與開發基礎。此外，由於仙台的山地、綠地比例高，因而有「杜之都」的美名，意為森林之都，東北大學即坐落在這座綠意盎然的仙台市中。東北大學前身為帝國大學，是為東北地區的第一學府，主要共有四個校區分布於仙台市內，包含片平、川內、星陵以及青葉山。本次的研究訪問選擇東北大學是因為東北大學為世界的材料科學中心，本多光太郎前校長為鋼鐵研究權威、飯島澄男教授發現奈米碳管、井上明久前校長是金屬玻璃研究的先驅與權威。東北大學亦曾接待愛因斯坦的訪問，知名作家魯迅亦留學東北大學，台灣大學中也有許多從東北大學學成歸國的教授，可謂是人文薈萃的一所頂尖學校。東北大學材料系坐落於青葉山校區，是一個腹地廣大的山區，空間寬大而舒適，而我所使用的研究設備在片平校區的金屬研究所，是重要的金屬研究重鎮。
不像東京與大阪這樣人口密集的大城市，仙台市的人口較為稀少，捷運系統也比較簡單，目前總共有兩條互相垂直的捷運線，貫穿東西與南北向。不過由於仙台是東北地區的最大城市，因此也是鐵路系統的交會點，透過新幹線以及JR列車(似台鐵)的交通網，能輕易地在縣市間移動。因為捷運系統不發達，大部分的人都以汽車做為交通工具，學生的話也有不少人騎摩托車通勤。我考量了訪問期間僅有一年，且日本開車的方向又與台灣相反，基於安全起見，便決定不自己開車了，利用大眾運輸通勤，或許能更體會日本人的生活。在東北大學訪問期間，住宿於東北大學的國際交流會館，是一個位於半山腰的東北大學宿舍區，主要的國際學生與學者皆住宿於此。然而因為捷運交通不發達，因此這在這個宿舍區的人們主要靠公車前往各個校區，而前往青葉山校區的公車，每個小時僅有一班，因此若沒有準時到公車站等車的話，就得下個小時才有車了(或者只好徒步前往，約40分鐘)。
█ 貫穿青葉山校區的主要道路與景色
█ 位於東北大學青葉山校區的材料系系館(教學館)，於311大地震災後重建。
█ 東北大學川內校區的廣場
金屬研究所的快速凝固熔噴裝置
本次訪問研究的主要目的為利用東北大學的快速凝固熔噴裝置將金屬材料熔化後，急冷以得到薄型的金屬材料箔帶(厚度大約介於20~50 μm)，這是常用於製備金屬玻璃材料的製程方法，由於起源於東北大學，因此有良好的設備可以進行箔帶的製備研究。簡單的原理是將金屬材料利用感應加熱方式在下方有小開口的石英管中熔化，再透過氬氣的壓力將金屬湯液由小孔擠出，並在下方快速轉動的銅輪上冷卻，以製備薄型的帶狀材料。
在金屬研究所時，使用的是真壁技研所生產的設備，當時由張岩助教授管理。在安頓好生活事宜之後，大約十一月底開始前往金屬研究所嘗試製備金屬箔帶。有趣的是，不同金屬材料的熔化溫度以及與石英管坩鍋的反應性不同，因此對於我要製作的材料，他們並沒有任何經驗。張岩助教授做的是鐵基金屬材料，因此並不會與盛裝金屬熔湯的石英管反應，但我所要製備的鈦合金，則在熔化後會與石英管反應而造成黏度大幅上升，因此沒辦法順利噴出到銅輪上。
透過了一個月左右的摸索以及嘗試之後，總算利用在石英管內部噴上一層BN以防止Ti與石英管反應。然而，雖然可以順利將材料噴出了，但仍無法順利製備出條狀箔帶，大部分噴出的金屬會在接觸到銅輪後反彈，並黏在石英管的外壁上，因此大部分的材料仍無法形成箔帶。這時又做了一陣子的文獻搜尋與測試，發現大部分的Ti合金箔帶文獻都是都是用石英管噴出製備的。別人都做得到，我們豈有做不到的道理？參考了文獻之後想嘗試著調整石英管的傾角，減少反彈的液體量，同時也在管壁外也噴上一層BN，終於順利將大部分的材料從管內噴出並製備成金屬箔帶。探究其原因，依然還是反應問題，噴出的溶液反彈後一接觸到石英管外壁馬上就反應黏住了，因此即使接觸時間很短，仍然無法順利冷卻變成箔帶。而透過外壁的BN阻隔，有效減少反應與附著的金屬量，因此便能順利製備出鈦合金箔帶。這樣的材料與實驗方式他們並沒有接觸過，因此在自己摸索了約兩個月之後，總算順利完成，也能提供他們許多相關的經驗，相當具有成就感。接著後面的十個月便陸陸續續設計不同的合金成分並且一批批將他們全部製備成箔帶的形式，並針對他們的性能進行研究。
█ 快速凝固熔噴裝置外觀
█ 腔體內用於快速冷卻的銅輪
█ 本研究於日本東北大學金屬研究所所製備之TiNi基形狀記憶合金箔帶
日本的研究室生活
相信大家多少有聽過，日本的大學制度是講座制，每個實驗室由一位正教授領導，下面配有副教授以及助教授，整個實驗室是一個團隊，一同討論研究、指導學生、發表論文。這次訪問的實驗室是由材料系貝沼亮介主持，研究成果相當豐碩，自2006年以來，貝沼教授共有五篇Science，一篇Nature的研究成果，對於傳統的金屬研究領域而言，是相當不容易的成果，因此這次的訪問也是觀察貝沼教授研究團隊運作的觀摩機會。
在東北大學，只有正教授以及副教授是有自己的辦公室的，助教授則沒有。助教授是跟學生們一起坐在大研究室中，因此我也一樣地被安排與大家在大研究室中活動，我也很喜歡這樣的安排，可以觀察到這樣實力堅強的實驗室，學生們是怎麼樣做研究的。初日抵達貝沼研究室時，即對貝沼研究室學生的研究精神有著深刻的印象。貝沼研究室的學生非常認真，早上約9點前就有學生抵達研究室，陸陸續續也會在10點左右抵達實驗室。抵達實驗室的學生將背包放下後，拿著試片就做實驗去了，非常勤奮與認真。實驗之餘，學生們的電腦畫面也都是整理的研究數據、文獻資料以及報告用的投影片，從未出現過YouTube、Facebook甚至遊戲等等休閒畫面，顯示日本學生對於學習以及研究工作的重視、也展現日本民族認真拘謹的一面(另一方面而言，日本的環境較具隱形壓力)。另一個令人印象深刻的是，日本的大四學生在畢業時必須繳交一份學士論文，因此學生大四時便會進入研究室進行研究工作。這些新進的大四學生，常常於早上九點左右就到研究室，並且主動地閱讀、查詢文獻資料，相當認真地對於研究主題進行探討與整理，具有主動的研究精神與態度。學生們對於進度報告也非常重視，每次報告都有完整的投影片，從前言、實驗結果呈現以及未來工作都有清楚的說明與規劃。
教師方面，貝沼研究室每日早上9點以及下午3點皆會舉辦茶會，由實驗室的工作人員參與，包含教授、副教授、助教授、訪問學者、博士後研究員、技術人員以及行政助理等人員參與。每天兩次大家聚在一起喝咖啡以及享用茶點，利用每次約30分鐘的時間進行交流意見、想法討論或者閒話家常，一方面管理實驗室的成員、互相聯絡感情，一方面也透過每天的情報交流，激發出新的想法與點子，對於研究工作的開展有深遠的幫助。由於日本講座制度的架構，使得一個研究室基本上具有三位教授進行主要研究，因此做為同一個團隊，更容易互相討論嶄新的研究構思與方向，同時也因為容易分工並執行想法，因此對於具有開創性或者分工性較強的研究主題，較容易在這樣的團隊架構中一步步實現。貝沼研究室主張教育優先，希望學生擁有扎實的基礎學識，才能將之運用於研究題材與創新思考之中。從貝沼研究室的研究題材中可發現，他們涉及的題材廣泛，包含形狀記憶合金、鋼鐵材料、磁性材料、耐磨材料、耐熱材料以及各式新型合金開發等研究工作，顯示貝沼研究室團隊的基礎理論扎實，且得利於講座制度的結構，使得整個研究團隊可針對重要的金屬材料性能進行深入的探討與分析研究。
在日本訪問的期間，看到的東北大學材料系以及金屬研究所的環境以及設備，令人相當羨慕。在材料系中，X光繞射儀有四台，且可搭配變溫、變形等條件觀察。系上也有各式金屬材料的加工設備(似工廠)、玻璃工廠、塑性加工設備等等。在貝沼教授的研究團隊中，就有好幾台拉伸試驗機，可在不同溫度下對材料進行機械性質測試(可以低到4K)；實驗室的電子顯微鏡有兩台；還有在台灣屬於貴重儀器的物理性質量測系統(PPMS)等等。搭配各個教授間的合作關係，更可使用到金屬研究所的各樣金屬製程設備，包含上述提到的快速凝固熔噴裝置等等。在設備上，可以說是應有盡有，因此想做任何的嘗試與研究都有機會在東北大學實現。一方面來自於日本的研究經費比台灣高出許多，因此設備以及研究資源上的能量高出台灣不少。另一方面，日本在工程技術上的進步，使他們有許多國產高品質的設備可以採購，同時有足夠的客制化能力，因此能建立許多特殊的研究設備。我問了來自中國的博士生，他覺得非常高興能到貝沼研究室讀博士班，因為在設備的豐富度以及自由度上，實在非常高，因此他可以在這個環境下，利用各式各樣的設備，完成他所想要研究。總和而言，在學生努力、經費支持、設備完整以及講座制團隊的結合下，我看到貝沼研究室能夠在學術上具有亮眼表現的原因(之一)，也體會許多值得我們學習的研究精神與態度。
在學習方面，我相當推薦日本東北大學的研究環境，不管在自然環境(下一篇再寫自然風光)、學生程度、設備資源以及研究團隊都非常堅強。此外，東北大學也有很強的產學合作能力，在青葉山的校園中，可以看到許許多多公司捐款建設的共同研究中心，如JFE鋼鐵公司、三菱重工、豐田汽車等等，顯示他們在產學合作以及實用發展上，有非常優異的成果。東北大學目前也正在青葉山校區建設同步輻射中心，預計2023年啟用，屆時次世代的同步輻射的落成，將更進一步提升東北大學的研究能力。基於各方面的理由，我很推薦日本東北大學作為同學們交換以及留學的學校！
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