物理與天文學

鐵磁流體同時具有液體的流動性和固體磁性材料的磁性，由磁性微粒、界面活性劑以及載液混合形成的膠體液體。本報告探討鐵磁流體的製備過程，在化學共沉法中改變滴入氨水的濃度 (pH 值)，建立一套標準稀釋氨水 pH 值量表。為了研究產物之間的差異，將產物進行 SEM 拍攝與 XRD 分析。 本研究使用低成本自製磁力測量裝置，測量磁力數值繪製多張圖表進行分析。從對磁場研究的過程發現鐵磁流體在受磁鐵吸引時會產生類似泰勒錐之錐體，架設自製觀測設備，觀察多種變因對錐體行為之影響，同時對錐體進行數值分析。此點乃為本研究提出創新科學設計。 未來將探討粒徑對製成鐵磁流體性質的影響，並以更精確的方式探討鐵磁流體在磁場下的受力分析圖。探討鐵磁流體之導電性，分析應用於現有電漿裝置之可能性，期望改良目前的電漿產生裝置中高汙染且不可撓曲的缺點。

磁暴是地球磁場的劇烈擾動現象。由於強烈磁暴可能對人造衛星、地面電力系統的穩定性帶來損害，因此了解磁暴事件的機制十分重要。本研究利用 OMNI 資料庫中的地磁指數與行星際磁場南北向分量、太陽風動壓、太陽風風速、質子密度等物理量觀測資料，分析太陽週期 22 至 24 期間的單低谷型磁暴事件，此類型事件佔總分析期間磁暴事件的近五成。首先磁暴事件數量比例大致隨強度增強而遞減；不過安靜期也有較強烈的事件發生。接著分析各物理量與事件強度的相關性，其中行星際磁場南向分量、太陽風動壓相關係數分別達 0.80 和 0.64，推論可做為磁暴先兆的依據。因此分別建立太陽週期 22、23 及太陽週期 24 之行星際磁場南向分量、太陽風動壓對事件強度的經驗關係式，並據此計算行星際磁場南向分量對應的事件強度門檻值。目前逐步比對太陽週期 25 的磁暴事件，推論以太陽週期 24 的經驗式得出的門檻值，可能較適用目前太陽週期 25發生的磁暴事件。

電流變液是一種由介電顆粒和絕緣液體混合而成的特殊流體，在外加電場到電流變液後，二氧化矽沿著電場排列成整齊的鏈狀結構，提升電流變液的黏度。 在這個研究中，使用添加了界面活性劑、親水二氧化矽顆粒以及矽油的電流變液作為研究對象，發現電流變液的黏度可以隨電場增加而有效地增加，且增加的效果會同時受到矽油初始黏度和是否添加界面活性劑的影響，但並非初始黏度越高效果越好，且添加界面活性劑在每一種初始黏度造成的影響也不同。 影響黏度的機制則和液體在電場下的靜態結構以及結構被破壞後的修復速度有關。比較黏度測量、散射光實驗、顯微鏡觀察等實驗結果後，推測該機制作用原理如下: 當矽油的初始黏度較小時，由於二氧化矽鍊的結構較不穩定且修復速度較快，因此主要會是修復速度在控制矽油的黏度，添加界面活性劑後，它會在親水的顆粒表面形成一層高介電常數的薄膜，提升顆粒的極化率，進而加速結構的修復、使液體的黏度增加。而當初始黏度較大時，由於修復速度較緩慢但結構相對較穩定，因此是由結構來決定矽油的黏度。

本研究對磁攪拌子的懸浮做出一連串的實驗探究與數值模擬法的建模。透過觀察實驗，分析磁攪拌子與驅動磁鐵的互動，提出磁攪拌子跳起與穩定懸浮的原因。建立運動方程式，並使用數值模擬法預測各種變因的影響，也編寫程式語言使模擬的結果以動畫呈現。依照理論的預測，設計實驗驗證數值模擬法的適用性；探討懸浮的動能，發現耦合性質。 在應用方面，懸浮運動是攪拌與懸浮的結合，應可為黏度差異大之化學反應提供穩定反應的攪拌系統。本研究為增進「懸浮式攪拌」的實用性，以數值模擬法測試多極驅動系統的可行性，並成功達成；探討長度對攪拌效率的影響，提供在弱驅動系統中達成懸浮的辦法。為了在應用層面上有更好的發展，透過理論模型提出控制懸浮高度的方法，而實驗結果指出此方法的可行性。為尚不明確有何應用的「磁攪拌子懸浮運動」提供明確的發展方向。

本研究接續前系列作品結果並聚焦於探討氣流引入的機制。由於溫度最容易測量，因此此份作品環繞於溫度變化的分析。作者首先以初步實驗測量氣流溫度變化並比較現實觀察結果印證實驗的準確性。接著，以進階實驗探討氣體在流動路徑上和在截面上的動向。在路徑上，氣體的總引入百分比(Px)隨氣流水平位移而變化，並在0~5公分符合對數關係及在5~20公分符合線性關係。此外，氣體的單位距離引入百分比(Qx)不隨水平向位移而明顯變化。另外，氣流在截面的分佈情形觀察與現實狀況相符。 最後，透過觀察不同密度氣體和分析實驗結果歸納出氣體的定量分析。而由於實驗發現當口徑為 0.4公分時，氣體釋出達18公分的過程中，初始氣團充分引入外界氣體，使得其性質相當接近周圍環境，若將此模型到用於更多口徑，可以應用於人群密集、空間有限的情形中，使人們能避免暴露於氣體可能觸及的位置，不僅可降低傳染可能性，也可使社交距離較能符合日常生活情境並增加其實用性。

本研究結合手機發展出一個檢測類風濕性關節炎的新方法。此研究使用奈米結構式的表面電漿共振晶片，藉由血清中的抗體接合後光譜紅移現象分析結果，將其用於檢測類風濕性關節炎。我們先用可與類風濕性關節炎的抗體結合的peptide修飾晶片，測量不同濃度下光譜紅移量的差異，找出紅移最明顯的檢體濃度，以此濃度配置我們之後實驗的檢體。接下來分別使用matlab分析歸納出發病與未發病之間光譜波長紅移量的差別，和架設手機拍照後用imageJ分析紅光強度兩種分析方法測量不同檢體，判斷其是否發病。從實驗結果發現，稀釋至原本濃度10倍的檢體紅移量最明顯，且使用imageJ分析紅光強度的數據比使用顯微鏡測量光譜波長的數據準確且穩定，前者可以明顯檢測出是否發病。我們希望將這種方法推廣到第三世界國家和農村地區，為他們提供一種更省時，更具成本效益的方法來測試類風濕關節炎。

尋找高紅移的超大質量黑洞，有助於天文學界了解宇宙再電離時期。雖然黑洞的數量稀少，但相較於星系，超大質量黑洞較亮，且在高紅移時，存在時間比伽瑪射線爆久。因此，它們的光譜可以協助天文學家最有效率地探索再電離時期星系間物質的特性。本報告交叉比對Subaru 超廣角相機策略觀測計畫 (Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, HSC SSP) 和廣域紅外線巡天探測衛星 (Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE) 的觀測數據，尋找可能的高紅移超大質量黑洞。本研究根據光度測定 (photometric observation) 和宇宙紅移 (cosmological redshift) 的原理，從雙色圖中較紅的區域挑選了46個候選星體，並逐一透過天文望遠鏡照攝的影像確認是否有可能是超大質量黑洞。最後，選出三個可能的高紅移超大質量黑洞，可用於向大型天文望遠鏡 (如昴星團望遠鏡 (Subaru Telescope) ) 申請光譜分析。

將鋼球放入一個鉛直站立的圓環凹槽內，當圓環由靜止開始轉動的過程中，鋼球沿著圓環向上運動，經過我們設計並改良的實驗架設，製作出穩定的實驗裝置進行量測，探討各種變因對鋼球運動的影響，並彙整出鋼球運動的幾個階段，進行理論建模與實驗數據的比較分析；我們參考幾篇論文嘗試在理論建模的方程式逐步加入模擬修正，從最單純的質點運動方程式逐步考慮旋轉、搖晃、阻力、鋼球體積等等，比較理論模擬結果與實驗數據的差異，也驗證了一些論文中缺乏實驗驗證的理論計算之正確性。

自從2010年諾貝爾物理獎原子層石墨烯及2016年的諾貝爾物理獎拓樸學，低維度新穎電子相成為材料界的一大課題，讓諸多科學家爭先恐後進行嘗試。而其中石墨烯擁有0.2~0.3 nm的厚度，電阻率為10-6 ᘯ-cm這項驚人的發現，學者紛紛期待發現更多與石墨烯相仿的材料。因為SnSe2二硒化錫為0.9 eV的間接帶隙半導體，在地球上的產量豐富，我們對其進行了諸如半導體，二維材料，電晶體特性等研究，我們發現SnSe2是一個不錯的低維度材料。我們針對SnSe2進行量測，經過實驗證實量測出hole-hole interaction以及Weak Localization的現象，這些都是超導的特性的重要性質。

有研究討論過氯化銨溶液液滴在低溫接觸面，液滴凝固後的頂部出現了圓頂、尖頂、在尖頂部分生出如煙囪般的結構，並提出模型加以討論，但實驗中的部分觀察結果卻和文獻提出的結果有所不同。 本作品使用25nm之二氧化鈦粉末製成之奈米流體液滴置於疏水性冷面，在低濃度(0.5 mg/mL)時，頂端形成尖頂；但在濃度超過1 mg/mL，凝固時由於馬拉哥尼流動，造成頂部形呈圓形平台，且此平台半徑隨著濃度上升而增加，另外在平台外緣堆積數量可觀的白色顆粒。 實驗中針對氯化銨溶液液滴及二氧化鈦奈米流體液滴在凝固時的顏色分布、動態接觸角變化，及頂端各種特殊外形加以分析，並用Hele-Shaw cell裝置觀察2種液滴的二維凝固過程，分析2種液滴凝固現象之變化原因及頂部特殊形狀的形成機制。