全國中小學科展

物理與天文學

介面活性劑對電流變現象的影響

本研究在探討介面活性劑對二氧化矽電流變液在外加電場下黏度的影響。主要是用沉降法測試溶液的黏度。經甘油以及90%甘油水黏度的測量後,確定此方法可行。 測量二氧化矽電流變液的黏度後,發現黏度和電場的平方成正比。在電流變液中加入不同體積的介面活性劑triton X-100,發現介面活性劑體積百分濃度為3.75%、二氧化矽體積百分濃度20%和介面活性劑體積百分濃度為1.875%、二氧化矽體積百分濃度10%的流變效果最佳。研讀介面活性劑橋理論後,我推測造成上述差異是介於兩二氧化矽粒子間介面活性劑的量。當介面和法向量的夾角接近90度時其作用力為最大;而介面活性劑的量稍微多或少時,因為角度的改變,使其作用力減少而黏度減少。觀察電流變液中氧化鐵粒子在低電壓和高電壓的運動,發現粒徑較大的粒子在高電壓下無法運動,推測為高電場下鍊與鍊之間距離縮小造成。

正多角柱內皂膜的形狀與對稱性破缺

本研究旨在探討正多角柱內所產生之肥皂泡膜形狀,以及改變正多角柱邊長與高度比例時,所發生的對稱破缺的現象。在初步研究中我們發現,正五角柱內的肥皂泡膜確實存在對稱破缺的現象,因此我們希望進一步確認並理解箇中奧秘。我們的研究將以實驗觀測做基礎,然後在理論上配合最小曲面的面積近似解來分析,為了將實驗與理論作結合,我們透過免費的數學軟體GeoGebra來進行數值模擬計算以及圖形展示,並使用薄膜干涉測量討論皂膜的厚度,對皂膜受力的影響。

奈米氣泡水溶液導電度的測量與應用

奈米氣泡的大表面積比,表面帶負電,可以在水中停滯很長的時間等特性使得奈米氣泡水溶液異於一般氣泡水溶液。測量奈米氣泡水溶液的導電度,可得知水溶液的電荷密度,超聲處理時間可改變奈米氣泡水溶液的電荷密度,進而改變奈米氣泡水溶液的折射率、表面張力、以及黏滯係數。 利用兩個不同功率的超音波震盪儀(100W,43KHz;200W,40KHz)超聲處理氮、氧、和二氧化碳等三種氣體,震盪時間5分至30分,可以得到不同導電度的奈米氣泡水溶液。用自製的導電度測量器測量奈米氣泡水溶液的導電度;測量氯化鈉水溶液的導電度,用來和奈米氣泡水溶液的導電度做對照比較。 實驗探討超聲處理時間、水溶液的溫度、外加磁場的大小對導電度的影響;以及奈米氣泡水溶液的導電度對奈米氣泡水溶液的折射率、表面張力、以及黏滯係數的影響。

波濤洶湧的玻璃杯—玻璃杯共振之研究

一個裝有水的玻璃杯,用喇叭撥出大聲的聲音,便能觀察到共振的現象發生,玻璃杯將會不停的震動,甚至導致破裂。本研究將會藉由傅立葉轉換(Fourier transform)來分析玻璃杯的振動的本徵頻率,並進一步探討頻譜的峰值。另外我們也研究了不同水位的高低以及液體密度對於共振頻率的影響,並以能量守恆的觀點進一步推導出玻璃杯的震動方程式。最後我們也近一步討論higher harmonic,並且發現non-linear dispersion relation的現象,有別於我們對於f∝n的觀念。

液滴凝成奇異形狀的研究

乾冰上方放一銅片,在銅片上方滴一液滴後,液體由下向上凝固成冰,最後在頂端形成圓錐形、圓弧形或煙囪形等三種不同奇異形狀;這些奇異形狀的形成取決於液體的分子力以及液體分子和冰之間的附著力大小,亦即由接觸角所決定。利用微積分可推導出接觸角、頂角、以及冰液相對密度間的關係式。 水在凝固過程中,利用Hele Shaw Cell量得接觸角為90°,水滴頂端凝成頂角65°的圓錐形。乙醇水溶液和葡萄糖水溶液的接觸角均隨溶液的濃度的增加而遞減且均小於90°,液滴頂端都凝成圓錐形。氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化銨等四種不同濃度(0.75m~3m)的氯化物水溶液,高濃度的液滴頂端形成圓弧形,低濃度者形成煙囪形,濃度居中者形成圓錐形。2m的氯化銨水溶液液滴頂部先凝成煙囪,煙囪內再向上長出圓錐形。由推導出的關係式可解釋這些液滴凝成的奇異的現象。

超高疏水表面水珠碰撞之探討

本研究中探討的是,超高疏水表面上微小水珠結合後並發生向上彈跳的物理現象。此現象近年來被視為能夠應用在眾多領域上,包括增加導熱效率、anti-icing surface等等。本研究從實驗和數值模擬的層面對此現象進行研究,探討水珠在結合中的的表面能的振盪行為以及結合過程中受到的作用力,並提出了一套力學振盪模型來解釋水珠的複雜運動,並且將利用模型討論的結果與模擬結果比較。 在模型驗證之中,我將建立模型中使用的假設給予理論上的誤差,並從兩種觀點進行和實驗數據比較,其中以受力觀點討論水珠碰撞,我所建立的模型誤差在2%以內。最後,對於水珠碰撞在增加導熱效率的應用,我以實驗結果推論並提出了在未來實際應用時應注意的細節。

奈米濃縮晶片運用於人體體液濃縮之研究

本實驗探討低濃度離子的檢測方法,實驗利用微奈米流道濃縮晶片,將樣本進行濃縮。由於奈米離子選擇性流道對於液體離子導電度,即離子價性有所限制,因此,我們首先測試人體體液的可濃縮性。 我們採用的樣本為血清、尿液、唾液及汗液,研究主軸是將螢光分子加入樣本內,做為濃縮的指示劑,並測試該檢體溶液是否能夠濃縮。藉由濃縮提高待測溶液的濃度,使得在少量檢體、稀薄濃度的狀況下,也可量測樣品內的物質濃度。在檢測方面,我們以具有奈米結構的表面電漿共振技術(Surface Plasmon Resonance, SPR)作為檢測平台。奈米結構表面會因吸附物質的改變,導致表面折射率改變,使得吸收光譜產生位移。因此日後可以依照光譜圖的位移量,推估檢體溶液的離子濃度,期盼此技術能運用於生醫晶片及簡易攜帶型生醫檢測器(Bio-sensor)上。

Improving Particle Classification In Wimp Dark Matter Detection Using Neural Networks

In all experiments for detection of WIMP dark matter, it is essential to develop a classifier that can distinguish potential WIMP events from background radiation. Most often, clas- sifiers are developed manually, via physical modeling and empirical optimization. This is problematic for two reasons: it takes a great deal of time and effort away from developing the experiment, and the resulting classifiers often perform suboptimally (which means that a greater amount of expensive run time is required to obtain a confident experimental result). Machine learning has the potential to automate this and accelerate experimentation, and also to detect patterns that humans cannot. However, two major challenges, which are shared among several dark matter experiments, stand in the way: impure calibration data, which hinders training of models, and unpredictable physical dynamics within the detector itself. My objective was to develop a set of machine learning techniques that address these two problems, and thus more efficiently generate highly accurate classifiers. I was able to obtain raw data for two dark matter experiments which exhibit these challenges: the PICO-60 bubble chamber [2], and the DEAP-3600 liquid argon scintillator [1]. For each experiment, I developed and compared three general-purpose algorithms intended to resolve its inherent challenge (impurity and unpredictable dynamics, respectively). In PICO-60, background alpha and WIMP-like neutron calibration datasets are used for training; however, there is an impurity of 10% alphas in the neutron set. While a conventional classifier was developed (and is believed to be 100% accurate), machine learning in the form of a supervised neural network (NN) has also been previously explored, because of the benefits of automation. Unfortunately, it achieved a mean accuracy of only 80.2% – not usable as a practical replacement for conventional methods in future iterations of the experiment. In DEAP-3600, photons are absorbed by a wavelength shifting medium and re-emitted in an unpredictable direction, before being detected by one of 255 photomultiplier tubes (PMTs) around the spherical detector. The randomness severely limits the accuracy of conventional classifiers; in a simulation, the best so far removes 99.6% of alpha background, while also (undesirably) removing 91.0% of WIMP events. Because of physical limitations, simulated data is used for calibration, with 30 real-world experimental events available for testing. I have written a research paper [11] about my work on PICO-60, which has been approved by the PICO collaboration and pre-published at https://arxiv.org/abs/1811.11308. It is currently undergoing peer review for publication in Computer Physics Communications. All PICO researchers are listed on my paper for their work on the original PICO-60 experi- ment. They did not contribute to this study; I completed and documented it independently.

高熵合金Alx CoCrFeNi (x = 0 - 0.4), Al0.5CrFeMnNi, CoCrFeNiMn 和FeCrNi近常數電阻率之研究

二元合金的電阻率大小取決於合金的有序度的大小,當「無序相」出現時,合金在等莫耳比例混和會有最高電阻率,以CuxAu1-x為例大約為7倍,但是如果「有序相」出現時,例如混和比例為25%(Cu3Au)及50%(CuAu)會出現電阻率大幅度下降現象,甚至接近純金屬元素之電阻率,因此我們猜想如果合金由三元到五元等莫耳比例混和,預期可能會出現類似結果,查文獻後才知道有一種合金叫做高熵合金(五元以上合金)。然而研究結果令人驚訝,我們觀察到極高的電阻率產生,大約為混合法則所得的21倍,以及異常小的電阻率溫度效應,經由XRD探測發現多元合金都有無序相出現,然而在300 K到673 K範圍內電阻率卻接近定值,實驗結果呈現殘留85%的電阻率,表示高熵合金的晶格內有高濃度的本質缺陷(Intrinsic defect)。

液體膜電動機之性質與泛用性研究

若對肥皂膜通過電流,並在垂直電流的方向加高電場,只要電壓與電場超過閾值,就能夠在肥皂膜上產生旋轉。 我們的目標是製作能穩定運轉的液體膜電動機,同時持續改進精確度及操作便利性。我們調配溶液,並用電阻法測量厚度控制變因。攝錄影片匯入Tracker追蹤,分析旋轉性質。 我們了解到角速度與外加電場呈線性正相關,也了解旋轉半徑與角速度成負相關。我們認為是界面活性劑離子在電場中運動產生的效應。然而,驗證實驗卻推翻了我們的假設,不僅加入電解質沒有改變角速度,甚至純水膜也能夠旋轉,證明離子並非運動來源。 因此我們改從水分子偶極切入,通電的液體膜其實類似介電質,會因電容充電導致電極化,使液體膜上出現電荷分離,因外加電場的作用產生力矩而旋轉。此假說能夠解釋我們所有的實驗結果,我們也希望未來能立基於此,對液體膜電動機的應用領域進行實驗與研究。