全國中小學科展

第57屆--民國106年

「碳」幽索隱--研究碳量子點的性質與細菌偵測

本研究以簡易微波法,開發出製備碳量子點並用於檢測細菌的新方法。將檸檬酸等含碳物微波製成碳量子點,加入精胺酸、甘露糖、高分子PEI等藥品微波,進行碳量子點的修飾,也以乾燒、兩步驟等方式製造碳量子點,並以螢光光譜儀等儀器測量其螢光強度與計算量子產率。利用碳量子點與細菌結合後離心可沉澱的特性,觀察沉澱物受UV照射後是否發螢光,來判定兩者是否結合,並測量其螢光強度,達到偵測與定量細菌的目的。由實驗得知,乾燒的碳量子點量子產率較水溶液微波高。檸檬酸銨加甘露糖之量子點可成功與大腸桿菌結合,但不與金黃色葡萄球菌結合。高分子PEI修飾的碳量子點與上述兩種細菌都能結合,最低可偵測1/250 mg(0.25 mL)的細菌。

八隻青蛙與停車場的邂逅

本作品從解決科學研習月刊中的一道題目著手:《八隻青蛙》,給出了「有幾片荷葉有青蛙」與落點的一般式。而且我更延伸原題,定義出新的「停車場問題」,不但找到Cycle的一般式和落點的快速演算法,還發現了原題與新題分別欲求的解答,兩者之間存在數種對射。最重要是發現了停車場問題Cycle和巴斯卡三角形的關係!

沙層裡的生機─美食奧螻蛄蝦穴居生活的研究

本研究探討美食奧螻蛄蝦(蝦猴)如何在沙層下穴居,利用自製海水循環系統模擬環境,以透明夾層進行實驗和觀察,並嘗試人工飼養及繁殖,發現: 1.相同採集點雄雌數量有明顯差異,隔離飼養可讓蝦猴順利脫殼生長。 2.蝦猴螯掌被拉扯會觸發攻擊行為,頭部受刺激會向後彈射3至4.4倍體長的距離。 3.蝦猴築穴分探索期、半穴期、第二探索期和成穴期,巢穴形狀呈Y字型,雄雌挖穴率有明顯差異,並利用潮汐及洞穴結構造成水流覓食。 4.室內實驗證實蝦猴能以水流為媒介尋找異性,雄雌巢穴有共用出入水孔或挖聯絡道相通的情形;蝦卵孵化後幼體有漂浮期和沉降期,沉降後會挖穴進入沙層。 我們揭開蝦猴在沙層裡的神秘面紗,也希望大家正視潮間帶生物逐漸消失的問題。

微型生物分子偵測器,氧化石墨烯濾紙電阻與蔗糖濃度關係

本研究根基於氧化石墨烯的物理和化學性質,發展出能隨蔗糖濃度改變的氧化石墨烯濾紙電阻。在以漢默方法(Hummer’s Method)製作出氧化石墨烯後,將氧化石墨烯懸浮液滴加於濾紙上,加熱使水分揮發,做成氧化石墨烯濾紙電阻。其電阻表現遵守電阻定律,電阻與濾紙長度有著正線性關係,且其電阻率會因所在環境不同而改變。以濕潤法測量電阻,當蔗糖濃度上升時,電阻率也隨之增加;反之,以蒸乾法測量電阻,電阻率卻會隨著蔗糖濃度上升而下降。在固態電阻中,氧化石墨烯有可能因為與蔗糖分子間的氫鍵作用而彼此靠近,使電子更容易在石墨烯分子間移動。此特性使氧化石墨烯濾紙成為一個可任意塑形、又可敏感於環境變化的偵測器。

臺灣常見菊科植物之應用

有許多昆蟲是人類或動物疾病攜帶者的主要或中間宿主。大多數的化學驅蟲劑對環境造成嚴重損害。因此,迫切需要開發新的無污染驅蟲劑和抗微生物劑。在本次研究,我們從臺灣常見六種菊科植物中,使用蒸餾水與絕對酒精來萃取花朵和葉子的二次代謝物,並針對原核生物種:大腸桿菌(Escherichia coli-DH5α)與枯草桿菌(Bacillus subtilis)及真核生物種:果蠅分別進行抑菌實驗及驅避實驗。結果顯示本實驗挑選之菊科植物:孔雀菊、長柄菊、南美蟛蜞菊、大黃菊(壽菊)的二次代謝物確實有殺菌及驅蟲之功效。研究目的是為人類開發以植物為主的抗菌與驅蟲物質以提供健康與環保無污染的新選擇。

永恆的旋轉木馬

本研究作品主要在探討「平面上各種曲線內關於相鄰等角割線段的新的不變量」與「空間中特殊圓錐曲面的特殊等角割線段的新的不變量」。 若圓錐曲線、蚶線等曲線中有相鄰等角的n條割線段,則這n條割線段之m次方和為定值。在圓錐曲線中這些割線段的交點可以是焦點、曲線內任意點,在蚶線中則為基點。甚至經由反演,還能將此性質推廣至直線上。 研究最後擴及至空間,先考慮橢圓、拋物、雙曲球面,其一焦點為F,將正N面體VN之重心G與F重合,使得VN以F為旋轉中心任意旋轉, 此時由F對VN之各頂點做射線交圓錐曲面於Pu,則FPu之倒數m次方和為定值,其中u=1, …, n,N=4, 6, 8,12, 20 。

吸附金「薯」—馬鈴薯吸附重金屬

本實驗我們以馬鈴薯渣做吸附,馬鈴薯中含有澱粉、纖維素、蛋白質註1,這些成分具有可與金屬結合的活性官能基如羧基、氫氧基、胺基註2。 實驗中,我們不做化學修飾,以最簡單的方式吸附,在吸附法中,吸附的金屬種類、濃度、溫度、馬鈴薯使用的量和吸附時間,都會影響到吸附效果,所以我們以上述的條件做為實驗的變因,測量馬鈴薯渣的吸附效果,和以恆溫吸附方程式探討吸附原理。恆溫吸附法中我們以基礎化工課程內所提到的Langmuir方程式及Freundlich方程式推算出吸附原理。 在廢渣處理方面我們將廢渣放入高溫灰化爐中進行灰化後,取部分灰分在進行二次吸附以達到廢棄物再利用的目地且灰化過之灰渣不易脫附。

游泳池可以減震耶!-–流體阻尼的研究

台北101大樓單擺式的調質阻尼器,透過質量塊與結構體反向擺動的現象,讓主結構上的能量藉由調質阻尼器擺動而消耗,但是約需4層樓高的空間來安裝整個阻尼器。我們想有沒有其他阻尼方式也可以達到相同效果,如流體阻尼器。因此,我們設計實驗探討流體阻尼器的可行性,並試著找出最佳流體與最佳減震方式。經過模擬實驗,我們發現水槽具有不錯的減震效果;而介於液體與固體之間的凝膠狀流體減震效果更明顯。適當的黏稠度(密度約為1.135 g/cm3的太白粉凝膠液)減震效果最好,大約可以減震21%;若加細網隔間,則可以減震超過27%。因此建議一般大樓可以在約85%樓高的位置放一個適當大小、裝適當黏稠度的凝膠液槽或游泳池,將有不錯的減震效果。

霧網恢恢 「疏」而不「漏」-捕霧網的探究與應用

使用我們設計的捕霧裝置可以用來測定各種捕霧網的捕霧效率,發現網孔大小會影響捕霧效果,網孔太小會形成「水牆效應」不利於捕霧。另外複雜編織法的塑膠網捕霧效果較佳,不過隨著捕霧時間的拉長,捕霧效率會降低。捕霧網的層數對捕霧效率的助益不大,考量成本與效益,使用單層園藝用黑色塑膠網遮蔽率50%或60%製作捕霧網即可。風向、架設高度和風速會影響捕霧的效率,正對風向且捕霧網高度較高效率較佳,至於風速不可過慢,不然霧容易積聚在網子四周而不利集水,但風速過快也會使霧不及集結成水珠而無法集水。我們在嘉義隙頂做了捕霧網的實地測試,獲得良好的成效,證明在台灣某些特定地點因地形的微氣候,適合捕霧網的設置。

泥壺内的秘辛〜赭腰圓領蜾蠃和黃胸錐腹蜾蠃生存策略探討

校園內有許多泥巢,調查研究後發現多數為赭腰圓領蜾蠃所築的土條狀泥巢和少數黃胸椎腹蜾臝所築的壺狀泥巢。統計428個泥巢後發現39%泥巢為2~3列、建築在轉角粗糙的窗框牆壁,面南花圃居多。本研究比較兩種泥壺蜂的型態構造、生活史及其築巢行為。人造環境可飼養和觀察泥壺蜂,但在飼養環境中不會有築巢和獵捕行為。兩種雌蜂均會築巢、產卵、捕獵並置入幼蟲食物後封口,但赭腰圓領蜾蠃體型小、幼蟲食量小、發育期長、壽命短,泥巢空間小但上下兩層設計讓雌蜂入泥巢休憩和護卵及幼蟲;黃胸錐腹蜾蠃體型大、幼蟲食量大、泥巢空間充裕但雌蜂封口後離巢不進巢內。幼蟲發育成功率偏低,發育成功率不同,兩種泥壺蜂以不同的生存策略來護卵育幼和防範天敵。