::: 合作實績科研成果

科研成果

直接模擬蒙地卡羅法在高速稀薄氣體流場的應用
(文、圖/ 國立交通大學機械系 吳宗信教授 / 博士班羅明忠)
模擬蒙地卡羅法在高速稀薄氣體流場的應用
在現代前瞻科技的研究領域當中,稀薄氣體動力學扮演著非常關鍵的角色,其中包括:極音速流體力學、真空泵技術、低壓半導體相關材料製程,以及微米或奈米尺度的氣動力學等。能夠描述稀薄氣體流動行為的波茲曼方程式,是非常難以求解的,而直接模擬蒙地卡羅法(DSMC)是一種粒子模擬的方法,在統計上,只要足夠大的模擬分子數量,數學上已證明是等同求解波茲曼方程式。然而,它的計算量通常是非常高的,尤其是在過渡流以及接近連續流的區域。因此,為了有效應用於稀薄氣體流場,藉由DSMC的平行處理,以減少計算時間,是不可或缺的。國立交通大學氣熱與電漿物理實驗室(Aerothermal & Plasma Physics Laboratory, APPL)利用自主研發超過十年的DSMC平行模擬程式PDSC ,進行歐洲太空返回實驗艙EXPERT (European eXPErimental Re-entry Test-bed)的流場模擬。模擬結果,包括流場密度、溫度、馬赫數與物體表面壓力、熱通量等相關分佈情形,將可提供未來太空載具研發的基礎資料庫或分析能量。由於DSMC 模擬計算量相當龐大,在此非常感謝國網中心所提供的計算資源及技術諮詢,讓相關的研究能順利進行。
 

 


深度轉錄體分析發現未知的肝癌基因體特徵

(文、圖 / 陽明大學生物醫學資訊研究所 黃奇英教授)
深度轉錄體分析發現未知的肝癌基因體特徵

基因體泛指細胞內三大成員之首的DNA(去氧核醣核酸)與RNA(核醣核酸),其次為蛋白質以及醣類。細胞核內的DNA通常被認為是生命之書,而RNA則泛指所有從DNA上所節錄出來的指令訊息,也就是生命的訊息,掌管了細胞內所有可能發生的事件,例如產生細胞所需的蛋白質。過去由於科技的限制,使得基因體研究只能著眼於約2%或是更小的DNA區段,但隨著次世代定序技術的推出,更完整以及更多面向的RNA轉錄體資訊,擴大了生物醫學研究的範疇。


國立陽明大學的團隊致力於分析次世代定序技術所產生的肝癌RNA定序資料,過程中運用國網中心的超級電腦協助Terabytes等級的運算分析,終於搶在競爭激烈的全球生物醫學研究者前面,發現一個全新的RNA基因,並命名為DUNQU1(遁去的一)。這個研究不僅拓展了傳統對於癌症基因體的定義,也為難纏的肝癌提供了新的基因體特徵以及可能的治療標的,此研究成果已經發表於國際頂尖期刊Oncogene。
 


為蛋白質加冕—利用冠狀醚分子調控蛋白質表面特性

(文、圖/中央研究院 李政忠博士、Manuel Maestre-Reyna博士、王惠鈞院士)
為蛋白質加冕,利用冠狀醚分子調控蛋白質表面特性

蛋白質分子在生醫或者化學領域上具有高度的應用潛力,卻常因其生化特性及作用機制不易掌握,而造成應用上的困難,蛋白質結構解析提供了一個良好的研究平台以了解蛋白質特性。蛋白質的結構鑑定主要是透過「X光蛋白質晶體繞射技術」(X-ray crystallography),也就是蛋白質必須先長成晶體,才能進行結構解析。為了突破蛋白質晶體長成的瓶頸,王惠鈞院士領導的研究團隊發現冠狀醚分子可和多種蛋白質表面結合,產生蛋白質與冠狀醚複合物 (protein-crown ether complexes),利用國網中心的超級電腦,進行水溶液中蛋白質與冠狀醚複合物的電腦模擬,了解兩者於水溶液中的結合狀態,進而利用此複合物較蛋白質單體容易形成規律性鍵結與排列的特性,克服蛋白質分子結晶的困難。此研究成果不但成為蛋白結晶學之重要技術,也為生物蛋白質的應用帶來新的契機。該成果發表於國際期刊「應用化學」(Angewandte Chemie)。
 


銅氧超導中的非均勻態

(文、圖/ 中研院物理所所長 李定國)
銅氧超導中的非均勻態

在高溫超導體的研究中一直以來大家所關注的就是其超導背後的機制,我們原本希望從實驗的觀測能帶我們更進一步窺知一二;可惜的是,實驗的結果顯示出在不同的參雜濃度下可以發現很多不同的非均勻態存在,使得部分科學家們猜測是否銅氧超導背後不像傳統超導一樣能用清楚的BCS模型(超導的微觀理論)來描述,而此研究便是希望證明即使有許多非均勻態的存在,他們仍然有相同的起源,也就是電子的強關聯交互作用;我們利用了重整化後的t-J模型(強關聯電子系統的統計模型)做平均場的對角化計算,發現即便有許多非均勻態存在,(a)圖即為其中一種可能的非均勻態在實空間下的圖像,而他們的能量仍然相當接近,也就是說在實驗的微觀尺度下觀察發現了許多的非均勻態本來就是必然的結果,因為他們的能量都已經退化為非常相近;除此之外,我們還發現了某些非均勻態內含的對稱性跟實驗的數據吻合,(b)圖揭示了在(a)圖的分布下,其內含的對稱性在傅立葉轉換下的結果,而這使我們能更有信心相信t-J模型的可靠性;未來便是朝解開在進入超導相位前的pseudogap為目標,希望能對高溫超導的機制能更進一步了解。
 


醇胺分子捕捉CO2的反應模擬

(文、圖/ 國立台灣師範大學 蔡明剛教授)
醇胺分子捕捉CO2的反應模擬

降低大氣中的CO2濃度是解決當前溫室效應一個關鍵課題。醇胺類分子(例如:乙醇胺HO-CH2CH2-NH2) 在過去的應用上顯示出針對CO2高選擇性的特性,但其受熱後易裂解的缺點,阻礙此種液相捕捉CO2技術發展。在本次研究中,利用國網中心超級電腦優越的運算能力,以第一原理的演算方法模擬CO2在液相中與醇胺分子進行親核反應的過程;且從符合工業化學製造上的流程的角度,設計修改醇胺分子的結構,以提升其捕捉CO2的能力。最後再由分子動力學印證,呈現出分子設計修改前後其捕捉CO2效果的差異。此次的發現,對於化學合成的分子設計上,提供一個可靠的參考依據;對於實驗上近一步量化分析醇胺類分子的CO2捕捉效能,也提出一個值得參考的方向。 
 


EHTW 氣候模式 (EN)

(文、圖 / 國立中興大學環境工程系 莊秉潔教授)
EHTW 氣候模式 (EN)

EHTW (European Hamburg TaiWan)氣候模式(Earth System Model, ESM)是由本土學者合作開發之完全耦合海洋模式;不同於傳統使用耦合器。國際間尚未有作業單位每日進行中長期(如:45天)大氣、海洋及水文場之預報, 亦未聽聞有研究單位正進行如此之實驗,因此中長期海洋、大氣及水文世界預報系統之建置,在國際間應是很有指標性的工作。此模式建立全台氣候平均地下水觀測 水位資料庫與土壤含水率模組、建立區域尺度系集預報系統,及耦合WRF-Noah 氣象預報系統以及台灣當地所開發的地表水文模組,藉此亦提升45 天預報系統之核心技術。 國網中心平台提供國際合作舞台與世界頂尖單位接軌,例如:NOAA/Princeton GFDL 實驗室林先建博士High Resolution Atmospheric Model (HIRAM)、美國NCAR曾于恒教授;國內合作研究團隊,例如:中研院許晃雄教授研究群、氣象局、台灣大學、中央大學、文化大學、雲林科大等;中興大 學跨系所合作,例如:資科所、應用數學所、土木所、景觀與遊憩學程等;並與國網中心環境實驗室、大影像處理研究團隊進行大數據(Big data)相關產品開發。
 


偶聯式蛋白質抗體藥物

(文、圖/ 高雄醫學大學 王焰增教授)
偶聯式蛋白質抗體藥物

隨著醫學的進步,人類越來越長壽,也面臨許多身體疾病的問題,因此藥物研發日益受到關注。其中偶聯式蛋白質抗體藥物(Antibody-Drug Conjugates: ADCs)即常用於治療嚴重疾病的標靶藥物,例如癌症等相關疾病。ADCs藥物目前有兩個嚴重的缺點:(1)ADCs藥物可能附著在正常細胞上,並會造成正常細胞嚴重的傷害;(2) ADCs藥物與特定細胞結合後,整個ADCs複合物必須被特定細胞內噬,隨後藥物必須在特定的ADCs蛋白質?催化,才能從ADCs中釋放並開始毒殺特定細胞。但這種內噬過程的效率不高,常造成ASCs藥物效能不彰。國際間很多研究機構皆積極研發,以Centrose公司為例,正在開發一種偶聯式蛋白質抗體藥物(Antibody-Drug Conjugates,ADCs),該公司並將該種藥物命名為偶聯式細胞外藥物(Extracellular Drug Conjugates: EDCs)。 EDCs與ADCs功能非常相似,EDCs為單一克隆(clone)蛋白質抗體藥物,EDCs會與特定類型的細胞進行結合,如腫瘤細胞。與ADCs最大的不同點,EDCs並不會被特定類型的細胞當成外來物並將其分解或內噬,相反地,EDCs可以完美偽裝成細胞表面的作用蛋白,並大大降低特定類型的細胞的抗藥性。目前Centrose公司所開發的EDCs藥物僅能毒殺疾病特定階段的細胞,該公司未來預期可以使用EDCs技術開發出治療胰腺癌等非常難醫治的相關疾病。希望未來透由抗癌新藥的不斷研發,可以使更多的患者受惠,並得到妥善的治療。
 


超細鈀奈米管具有良好儲氫特性

(文、圖/ 國立中山大學 朱訓鵬教授)
超細鈀奈米管具有良好儲氫特性

在奈米材料製造技術的突飛猛進下顛覆了許多以往人們對於材料特性的觀點。由於在奈米尺度下,許多的材料特性與在巨觀材