全國中小學科展

四等獎

液滴爆炸

本研究探討乙醇水溶液液滴於疏水流體表面之分裂現象。此現象可利用揮發造成乙醇之濃度梯度所驅動的表面張力梯度來解釋,此現象又稱為馬倫哥尼效應(Marangoni Effect)。液體為達到最低表面能而改變表面積的普托瑞立不穩定現象(Plateau Rayleigh Instability)也可以做為液滴分裂的解釋之一。 在研究中,研究團隊發現溶液在油面上會隨時間分裂出子液滴,並對於最終子液滴的半徑與分裂現象分別進行定量與定性之探討。本研究於先遣實驗中發現乙醇水溶液濃度之臨界下限為65%~67%重量百分濃度,並以大於(含)此濃度之溶液進行關於乙醇濃度、溶液體積與油層厚度、油層黏度四項參數對於最終子液滴半徑、分裂時間、液滴最大擴散半徑與擴散半徑演變之影響,也針對與參考文獻所選用液體不同深入探討異丙醇與乙醇的蒸發速率的差異如何影響實驗結果。

糖果傳遞問題之研究與推廣

n個人圍成一圈,面向圓心,且逆時針編號1,2,……,n。一開始每人手中有一個糖果,由1號開始,逆時針分別給右邊的人一個、兩個、一個、兩個……糖果,手上沒有糖果的人必須退出。我們將此傳遞規則定義為T_1,2,同理T_(1,2⋯,p)。這個傳遞遊戲,最終會有兩種情形,第一種是由一人獨得所有糖果(成功狀態),第二種是數人間傳遞糖果且形成循環(循環狀態)。 研究後得知,在傳遞規則T_(1,2⋯,p) (p≥2)下,若p=〖p_1〗^(α_1 ) 〖p_2〗^(α_2 )⋯〖p_i〗^(α_i )⋯〖p_j〗^(α_j ) ( 為p的相異質因數),任意的n值(n≥p+1)均可唯一表示成n=(p)^t×(〖p_1〗^(s_1 ) 〖p_2〗^(s_2 )⋯〖p_i〗^(s_i )⋅m)+q (t,m∈N, p ∤〖p_1〗^(s_1 ) 〖p_2〗^(s_2 )⋯〖p_i〗^(s_i ), (m,p)=1, q=1,2,⋯,p),令S=(p^t (p-q)+(pq-1))/(p-1)+R⋅p^t,則當m=1時,最終為成功狀態,且獨得糖果者的初始編號為S;當m≥2時,最終為循環狀態,且由m人循環傳遞糖果,而此m人的初始編號是S, S+p^t 〖p_1〗^(s_1 ) 〖p_2〗^(s_2 )⋯〖p_i〗^(s_i ), ⋯⋯ , S+(m-1)⋅p^t 〖p_1〗^(s_1 ) 〖p_2〗^(s_2 )⋯〖p_i〗^(s_i )。上述公式中的R值,可透過我們研究出來的「R值迭代法」求得。更進一步,我們也找出達到成功狀態或循環狀態的最小傳遞數。

朽木生花-初探以中藥萃取液對木材染色之防蟲抑菌效果

In our experiment, we used traditional Chinese medicine to dye on cheap wood, in addition to avoiding the impact of chemical paint on human body; After dyeing, the color and texture quality of the wood are improved, which makes cheap wood have higher price and improves the value of wood; At the same time, it can reduce the felling of slow growing precious wood, which has the functions of environmental protection, earth love and carbon saving. The test material was pretreated with hydrogen peroxide and surfactant, and the bleaching effect was obvious. After dyed with different Chinese medicinal, soak in strong acid and alkali solution for 15 minutes, which shows that strong acid and acid treatment is not allowed. On the other hand, after 15 minutes of immersion in detergent, the color difference value is less than 2, and the rubbing fastness is above grade 4. In the bacteriostasis experiment, no fungus grew in the first 3 days, and it did not grow in the 12th day. In the anti-termite experiment, the mortality rate on the fifth day was 65% for Lithospermum and 83.8% for Wolfberry, and the other groups had a good effect of total elimination. While plastic products have a great impact on the environment, wood that is dyed or modified with natural colored dye, its environmental value far exceeds the human visual perception.

Study of Ferrofluid and Magnetic Fields

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。

應用深度學習sequence to sequence model 於古文解譯

以將古文翻譯成白話文為初衷,以爬蟲擷取古文解譯網站「讀古詩詞網」中的大量古文及其白話翻譯作為訓練用的資料,並按照不同文體分開訓練。我們先嘗試用Bert模型做選擇題:給一句古文讓機器從四個選項中選出其翻譯。一開始隨機挑選其餘三個選項,正確率高達96%。因此我們挑戰更困難的設置,撰寫搜尋關鍵字的程式,將有與題目古文相同字的白話文放入選項。雖然準確率有些許降低,但仍高於只選重複字最多選項的結果,代表模型有發展出獨立的判定標準。選擇題成功後,我們用MT5 模型嘗試更困難的翻譯,並在訓練集中新增提供不同前後文的注釋資料幫助訓練。雖然還無法翻得非常準確,但仍在某些句子有不錯的表現。我們也發現了模型對某些特定類型字詞的翻譯有待加強,未來希望透過加強代名詞判斷訓練及持續新增注釋來增加整體翻譯能力。

Two Games on Graphs Extended from the Game of Squayles

本研究是關於 nim 遊戲的兩種推廣(其中一種是一個稱為 the game of squayles 的遊戲的推廣),稱為 edge-removing game 和 star-removing game。此遊戲為兩人遊戲。在遊戲的一開始,有一個簡單圖 G。兩個玩家輪流刪除該圖的非空路徑或非空星子圖的邊。首先不能移動的一方輸掉遊戲。 在 edge-removing game 中,我成功計算出某些特殊圖的 Grundy numbers,並給出了一般 k 星的 Grundy numbers 上界。接著我定義了一種新的圖,稱為 nice graphs,並發現所有 nice graphs 都是 N-position。我由此給出了任意兩個非空圖的 join product 的解。至於圖的 Cartesian product,我給出了兩個滿足一定條件的非空圖的 Cartesian product 的解,並發現一個 fully nice graph 和任何至少有 2 個頂點的連通圖的 Cartesian product 也是 fully nice 的。使用這個性質,我給出了 r-dimensional grids 上的 edge-removing game 的解。 至於 star-removing game,我最大的突破是構思出對稱性這個概念。使用這個概念,我給出更一般化的結論,可以用來有效分析某些圖的 Cartesian product 上的的 star-removing game。使用這些結果,我給出了 r-dimensional grids 的解。

磁攪拌子在黏滯液體下作磁懸浮運動之實用性探究與數值模擬法的發展之研究

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。

休息是為了走更遠—阿拉伯芥之耐熱記憶

阿拉伯芥的長期後天耐熱性(LAT)有如人類的「學習」,如何延長其「記憶」為本研究探討的主要目標。首先以改變熱處理間期之光週期來確立 hsp101、hsa32突變株在光照期變短下,LAT 處理後的存活率有提高之趨勢,而西方墨點法也發現 HSP101 之表現量與存活率有相同的趨勢,LAT 耐熱記憶的延續與否和 HSP101 的量息息相關。低溫降低代謝與光照期變短在存活率、西方墨點法的實驗結果相似,這顯示光照期變短可能也是透過代謝減緩,進而減少 HSP101的降解,使突變株的存活率提高。最後,花椰菜HV-427、HV-178的光週期實驗中,在進行LAT處理後,低光照下的受傷率有降低的趨勢,顯示降低光照能夠提升其耐熱性。我們期望此結果未來可應用在農業生物科技,透過更具經濟價值的方式來降低代謝進而延續LAT耐熱記憶,提升其對抗熱逆境的能力。

還有「轉環」的餘地—探討鋼球在自轉圓環軌道的運動

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。

上皮細胞黏附因子(EpCAM)對腫瘤微環境與上皮間質轉化(EMT)影響之機制探討

上皮細胞黏附因子 (EpCAM)參與了細胞的黏附、信息傳遞、增殖及分化等功能,並在惡性腫瘤組織中大量表達,被當作各種癌症的診斷標誌物,因此被認為是治療癌症的重要關鍵。另外近期研發的抗EpCAM中和性抗體被認為能抑制EpCAM的訊息傳遞,導致腫瘤細胞的死亡,也可以降低癌細胞中PD-L1蛋白的表現,進而導致腫瘤細胞死亡及活化T細胞殺死癌細胞的能力。 為了觀察EpCAM是否會對癌細胞造成影響,我們將癌細胞分成野生型 (wild type)以及EpCAM基因剔除細胞株,並以Western blotting及qRT-PCR確認實驗組的EpCAM基因有確實被成功剔除。進一步利用細胞存活率及細胞群落實驗證實EpCAM會促進大腸直腸癌細胞增生,並以抑制劑DAPT和TAPI-1處理證實EpCAM訊息傳遞會增加癌細胞轉移與侵入能力。接著為了驗證EpCAM中和性抗體的作用,我們用EpCAM中和性抗體處理癌細胞後,由細胞凋亡實驗確認EpCAM中和性抗體確實會促使癌細胞凋亡。我們的研究結果顯示EpCAM的訊息傳遞會促進腫瘤增生與轉移,而EpCAM中和性抗體於癌症治療中的高度前瞻性,期許將來能在癌症治療中提供一個可行有效的療法。