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第65屆--民國114年

應用於海水環境中稀土元素電化學沉積之機制探討與效率優化研究

現代工業對稀土元素需求增加,主要有兩種來源:稀土礦物的開採會產生大量廢棄物,對環境造成污染;回收稀土元素的主要來源是從廢棄的電子產品,添加有毒和放射性的酸洗液。相比之下,海水中的稀土元素也是個近年正在發展的回收來源,具有潛力的電化學沉積法具備選擇性、低能耗與環保優勢。本實驗利用電化學原理,從低濃度硝酸鈰溶液中沉積稀土金屬,探討不同條件、電極的影響,再以EDTA滴定測定鈰離子濃度變化以計算電化學沉積效率。最後在以氯化鈉水溶液模擬海水測試。 實驗發現,添加25mg硝酸鉀使用表面積大的碳氈、10mA電流電解並攪拌能成功沉積出鈰金屬氧化物,最後成功在模擬淡海水溶液中沉積出金屬,表示其應用潛力。

綠茶煉金術:以綠色科技打造奈米金與奈米銀

奈米科技已廣泛應用於醫療、能源和感測技術,而奈米金屬粒子更因其獨特性質備受關注。本研究探索了一種環保、無毒的方法來合成奈米銀與奈米金,減少傳統化學還原劑對環境的影響。我們首先嘗試用檸檬酸鈉來還原銀離子,合成不同尺寸的奈米銀粒子,並進一步使用綠茶萃取液取代化學還原劑,以開發更天然的合成方式。為了測試奈米銀的抗菌效果,我們將其應用於大腸桿菌與黴菌,發現奈米銀能有效抑制大腸桿菌的生長,但對黴菌的效果較弱。最後,我們利用綠茶萃取液合成奈米金,證明這種綠色方法能應用於不同金屬奈米粒子的製備。這項研究顯示,我們可以以更環保的方式合成奈米金屬粒子,未來或可應用於醫療、感測技術及其他高科技領域。

風的整形大師~探討不同條件對微型風洞氣流穩定性的影響

風洞是重要的流體觀測設備,生活中許多物件都需要經過「風洞」研究空氣流經物體所產生的氣動效應;但風洞設備體積大又昂貴,小學生難以接觸到,因此,本研究針對微型風洞的製作條件進行探討。 本研究針對微型風洞的風速大小、整流段孔徑大小及長度、收縮段延長長度等變因,進行氣流穩定性觀測,運用水煙及紅色點狀雷射光點輔助氣流的呈現;結果顯示風速及整流段孔徑過大或過小都不利於層流的產生,整流段較長及收縮段適當長度有利於層流的穩定呈現。 研究發現使用孔徑9mm大小、長度20cm的整流段,組合收縮段延長長度10cm,搭配風速1m/s,是自製「微型風洞」較佳的組合條件,可以清楚觀測氣流在微型風洞中層流的產生,適用於中小學生對於流體的觀測應用。

回心轉「易」!橡皮筋逆向滾動機制之探討

射出去的橡皮筋竟然會自己滾回來,使用自製「逆向滾動發射器」,橡皮筋以一定的斜拋角度發射,它會在空中高速旋轉,跟地面接觸後,旋轉動能與地面摩擦力相互作用,產生逆向滾動效果。橡皮筋是不太均勻的彈性體,所以電子磅秤進行重量篩選,搭配圓形校對模型和自製靜態拉伸測量器,嚴格控制橡皮筋的物理參數,降低其他變因的影響,找出最佳滾回條件組合是: 1.直徑4.8cm近似圓形橡皮筋,重量0.60g,寬度3mm,彈性係數最好的k72。 2.橡皮筋不均勻拉伸比例1:1.5,中段轉折支架設定在正中間位置B。 3.發射點距離地面75cm,最佳斜拋發射角度20°。 綜合上述發射條件,橡皮筋發射後不但能成功滾回,而且多次測試常常超過原始發射點,展現良好滾回效果和動量維持性!

燒出光彩炫麗的藝術品

本研究以金屬「燒箔」技術為主軸,探討在不同硫化、加熱條件與時間下金屬表面產生的色彩變化。研究分為兩階段進行:第一階段以銅箔、鋁箔、銀箔為材料,調整硫磺皂濃度、加熱時間與溫度等變因,透過RGB數值與色階圖進行分析;第二階段則排除硫化變因,改以加厚銅幣並使用控溫加熱板,聚焦探討材料厚度與熱控精準度對色彩穩定性的影響。結果顯示,厚銅材具備更佳的熱傳導與結構穩定性,可呈現連續、可預測的漸層色階。研究建構「燒箔藝術色階設計參考表」,整理超過二十種代表性色彩及其對應條件,提升燒箔創作的可控性與應用價值。本研究不僅實現燒箔技術的科學化與系統化,也為藝術創作與教育應用建立實證基礎,展現藝術與科學整合的可能性。

依〝形〞組隊,優勢再現! ~ 六邊形蜂巢堆砌策略再探討

我運用學姐前三年研究的結論,採用初始配對方式,針對共有格數量、角對角數量及各類模組間最佳的組合研究:「在六邊形蜂巢中如何擺放有色六邊形,可求得外圍白色六形總數最少?」且依據模組間的相互關係值,求得K值(包圍的白色六邊形總數)計算公式。 在延伸活動中,我沿用初始配對模式,找出平面長鏈形六邊形的蜂巢堆砌模式,也求得足球這種立體六邊形組合的蜂巢堆砌模式。

蒙提霍爾問題中選擇期望值與多變數衍伸性操作之研究

典型蒙提霍爾問題(Monty Hall Problem)(李永乐 [1]),又以別稱「三門問題」廣為流傳,是一項源於賽局理論的機率謎題,得名於《Let's Make a Deal》節目主持人。遊戲規則表明,在三扇門後共有一件獎品,參賽者選擇一扇門後,主持人會打開另一扇無獎品門,接著參賽者有權選擇是否換門,此時若選擇換門則勝率將提高到 2/3,這對許多人而言並不直覺,這也正是這個問題的有趣之處。 本篇研究由典型蒙提霍爾問題出發,逐步將結果推廣至七變數組方程式,並進行多種開門規則、非全同機率門,與多回合換門機制、中獎個數機率分布之討論。最終推導出玩家各執行策略及與之對應之期望值和機率函數方程,除強化已知文獻結果之泛用性外,也使典型三門問題具有更大的調整自由度。

高壓「碳」究、「碳」為觀止─以牡蠣殼加壓溶解進行化學固碳之可行性研究

本研究旨在探討廢棄牡蠣殼(主成分CaCO3)在模擬加壓環境下與二氧化碳及水反應,進行化學固碳(CaCO3+H2O+CO2⇌Ca(HCO3)2)的可行性,並連結深海高壓環境有助於穩定碳酸氫鈣的概念。研究小組設計實驗裝置(包含固碳反應艙、二氧化碳集氣筒、未反應二氧化碳收集筒)模擬壓力,探討反應時間、牡蠣殼粉用量、初始壓力、水溶液種類、混合方式及溫度等變因,並以二氧化碳氣體體積減少量作為觀察指標。 研究結果顯示,牡蠣殼粉確實能與CO2進行化學反應,反應量顯著高於單純的CO2物理溶解。進一步實驗發現,提高壓力、降低溫度、加強混合(每5分鐘攪拌)及延長反應時間均能提升CO2總反應量。然而,在本實驗條件與時間範圍內(最長60分鐘),3克牡蠣殼粉的效果優於6克及9克,且純水效果優於海水。本研究驗證了牡蠣殼加壓固碳的可行性,並模擬深海環境來找出反應效率的關鍵因素。研究小組進一步發想深海牡蠣殼固碳系統,為此廢棄物再利用及深海固碳概念提出創意規劃。

布紙薑薑好—布袋蓮複合紙之探討

本研究以布袋蓮作為主要造紙原料,混合野薑花、楮木紙漿,探討布袋蓮複合紙的製作,希望能減少木材的使用並增加布袋蓮的經濟價值。透過造紙過程、紙張性質評估布袋蓮造紙的可行性,比較添加野薑花及楮木紙漿的差異性,並透過自製裝置進行抗張、抗破力、透光度、曝曬後顏色安定性等紙張性質,探討布袋蓮複合紙的應用及價值。 結果發現,布袋蓮複合紙有質感,添加野薑花纖維可提升紙張抗拉及抗破力,添加楮木紙漿可提升吸水、吸油效果。使用漂白劑以二段式漂白,能將布袋蓮紙張漂白,增加文書利用價值。最後,透過專家評估及創作,可作為彩畫、版畫、窗紙、包裝材等多用途應用,幫助破壞環境生態的布袋蓮找到新的利用價值,為環境盡一份心力。

「纖纖吸油去」植物粗纖維與石蠟製成複合材料的吸附油汙試驗

雜草被認為是不具經濟價值的東西,而近年來入侵的外來種植物,因為生長迅速且沒有天敵,所以危害了我們自然環境的原生植物,本研究使用稻草與小花蔓澤蘭,將之曬乾 並打碎後過篩出粗纖維,混合石蠟成為複合材料,試驗材料吸附油汙的效果。結果顯示,粗纖維與石蠟混合比例較高的1:3時,因為有更多的石蠟使材料穩固能吸附較多的油汙,稻草組的平均吸油汙量為7.19g,小花蔓澤蘭組只有3.25g,為同比例的稻草組的64.3%,稻草組的平均飽和比為1:3.22,吸附油汙達到最高8.07g,小花蔓澤蘭組的平均飽和比只有1:2.60,吸附油汙重只有4.72g,為稻草粗纖維的58.5%。未來將研究此複合材料應用於生活上的吸附油汙,或利用複合材料在其他領域上來提高雜草附加價值。