全國中小學科展

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三等獎

藉由雙硫化物交聯製成的植物核酸奈米粒子可當作穀胱甘肽誘發的抗癌藥物載體

由於人工合成的化學材料在包覆藥物進行人體醫療測試時,不可分解性會帶來體內累積的毒性,搜尋各類化合物的結構後,發現核酸上的含氮鹼基具有一級胺結構,可和天然交聯劑京尼平或DTSSP進行反應,因此,本研究抽取水果的核酸進行實驗,利用界面活性劑乳化的過程中將阿黴素(DOX),包覆進入交聯後的核酸水膠,穿透式顯微鏡的結果顯示交聯後的水膠結構是球狀,平均粒徑大約是120奈米,核酸本身帶負電,水膠有包覆藥物的界面電位稍微減少負電,利用人類正常肺上皮細胞進行水膠共同培養,2毫克/毫升的水膠溶液在連續培養48小時後,並不會造成細胞死亡,奈米水膠在pH值5.5釋放DOX的量比pH值7.4還要高出27%,有奈米水膠包覆DOX的情況下,更能有效率進入癌細胞內與引起癌細胞毒性,本水果核酸製成的奈米水膠在生物體可分解的無毒包覆材料上,於未來可提供一個新的藥物載體參考。

藏寶旋跡

從海盜藏寶的情境出發,主要探討旋轉角度和平均點與加權點之間的關係。藉由增加旋轉中心個數,改變旋轉角度或旋轉次數等變項,來探討固定點的存在性與加權點的軌跡變化。於研究過程中發現,操控旋轉角度的正負值、倍率及加入旋轉後伸縮,能讓動點與加權點(平均點)間的移動軌跡有相似圖形、繞圓、橢圓、內(外)次擺線及各種數學上未定義,我們稱之為n階行星與齒輪圖形等豐富有趣的現象變化;將問題延伸,除了旋轉及旋轉後伸縮以外,同時有多組不同伸縮在進行時,所得到的加權點軌跡會形成次擺線和向前直進(或在直線上滾動)的多層行星與齒輪圖形。推廣至空間中的旋轉,更可發現橢圓的軌跡。

廢電池回收製成空氣電池與效能的探討

一般日常使用的電池雖是重要的供電來源,但在使用後也產生了許多的廢電池,造成環境汙染的問題。本實驗探討回收廢電池製成空氣電池的可行性,所謂的空氣電池是以空氣發電的一種電池,其負極為金屬,正極則是直接使用空氣中的氧氣。我們知道廢電池中所包含鋅殼、碳棒以及黑色粉末,其中黑色粉末內含有氧化錳與電解質,而電解質可溶於水,於是我們將其泡水過濾分離出氧化錳,然後將碳棒搗碎與得到的氧化錳混和製成正極。而鋅殼可作為負極。運用以上處理方法,我們成功的處理掉廢電池中大部分的廢棄物。 效能的研究方面我們改變了4個變因: 1. 正極反應物之碳與氧化錳的比例 2. 加熱純化氧化錳的溫度 3. 以不同金屬製成一次性電池 4. 改變電解液種類與濃度 分別得到以下的結果: 1. 碳粉0.8g加氧化錳1.2g時的反應最佳 2. 以300°C加熱可產生最多的二氧化錳讓反應較佳 3. 鋅可放電最久,高達19小時 4. 6MKOH中可產生最好的效能 此次實驗利用簡單的處理加工,將原本的廢棄物轉變成可以再次使用的能源,把這個技術做到最好,就是所謂的「循環材料高值化技術」。如果能夠擴大生產技術及回收流程成的速度,便可以發展成一個綠色能源。

晶圓廢棄物處理新方法

近幾年已進入太陽模組退役的高峰期,比較現行主要回收方法,在乙烯/醋酸乙烯酯(EVA)處理過程中會產生危害環境物質,因此研究低毒性、易處理的EVA移除技術,減低環境負擔,是值得開發的技術。研究以上層利用高溫燒斷交聯鍵結,失去交聯的EVA再以二甲苯溶解;下層使用鹽酸輔助水分子與EVA碰撞,破壞聚合單體間的鍵結。水解的過程中產生的溶液,則根據離子特性以沉澱、氧化還原鑑定,以利規劃完整回收再利用。 破壞上層交聯結構所需鍛燒兩次各200℃、1.5小時,再置入二甲苯中震盪2小時,同時可去除背板。水解最佳條件為90℃、10M的鹽酸,在裂隙越多的模組效果越快。使用後的鹽酸中,必定有鋁、鎳離子釋出,導線破損還會溶出銅。依模組狀態分為較完整與破碎,破碎模組水解下層,輔助歐盟回收法;較完整的模組先破壞上層。水解時,產生的鹽酸溶液則利用離子交換樹脂處理,回收並減少二次傷害環境。

合成三唑(Triazole)之超分子凝膠並討論其凝膠形成機制

我們成功利用點擊化學(Click Chemistry)合成出C1、C2、C3三個含有三唑(triazole)的化合物,三者的共同特色是具有對稱特性的超分子結構,C2、C3會自組裝成網狀結構並與有機溶劑形成超分子有機凝膠;經由實驗我們以成膠能力最佳的C3作為後續實驗主要研究對象。我們研究的內容包含基本物化性以及周圍環境對凝膠形成的影響,發現溫度、溶劑、濃度都會影響其聚集形貌。而我們對其分子間的作用力進行研究,得知主要以π-π堆疊、氫鍵及凡得瓦力等非共價鍵作用力維繫分子的結構。另外我們發現C3分子在凝膠態與薄膜態放光增強的效應,推測此分子具有AIE 效應(聚集誘發螢光增強)。最後,我們根據實驗結果,推導出C3分子形成凝膠的機制。

上皮細胞黏著分子(EpCAM)促進大腸癌細胞中對於艾瑞莎(Gefitinib)之抗藥性研究 EpCAM enhances Gefitinib-induced drug resistance in colon cancer cells

上皮生長因子受體 (EGFR) 已被確認在人類上皮惡性腫瘤扮演重要角色,因此臨床上開發出許多針對EGFR之大腸癌、肺癌等的小分子標靶藥物,但治療期間所產生的抗藥性仍是一大瓶頸。 過去上皮細胞黏著分子(EpCAM)只被認為是胞間連接分子,現今則在癌幹細胞 (cancer stem cells,CSCs)等領域被研究。然而從文獻與先前實驗室的試驗,可以看見EpCAM促進癌症抗藥性的可能。 本研究發現在大腸癌中,艾瑞莎 (Gefitinib) 會透過轉錄因子FOXO3a促進細胞凋亡,而EpEX會經由抑制FOXO3a所促進的凋亡路徑,導致癌細胞產生Gefitinib抗藥性,且此抗藥性,也與EpICD下游之誘導性多能幹細胞相關基因 ( iPS-related genes )的表現有關,但其分子機制尚不清楚。 本研究以大腸癌與Gefitinib做為癌症與EGFR小分子藥物的模型,找出EpCAM可能造成的抗藥路徑,未來可應用在各類癌症之聯合治療 (Combination therapy) ,以克服癌症治療所產生的EGFR小分子藥物抗藥性。

文心蘭LhPRS基因參與花被發育調控之功能分析

為了找出調控蘭花花瓣與唇瓣分化的基因,本研究分析文心蘭品系檸檬文心花瓣與唇瓣轉錄體之次世代高通量定序資料庫,篩選出一PRESSED FLOWER (PRS) 同源基因,命名為LhPRS。為了驗證LhPRS基因於花被之表現量,透過qRT-PCR分析,顯示LhPRS基因表現量集中在唇瓣,而在花萼與花瓣表現量較低,推測LhPRS對調控唇瓣發育有其重要性。為了進行後續基因功能性的分析,自唇瓣的cDNA選殖出LhPRS之編碼區序列,包含606個鹼基對,可轉譯出201個胺基酸。透過兩種不同系統之病毒誘導基因靜默技術,分析LhPRS基因表現被抑制時對文心蘭花朵發育之影響。結果發現當LhPRS基因在唇瓣表現量受到明顯抑制時,將使文心蘭花朵唇瓣形態產生變異而失去兩側對稱性,顯示LhPRS基因具有調控文心蘭唇瓣形態的分化並維持花被生長對稱性的功能。此研究發現將有助於應用在蘭花產業對花型調控與改造的需求上。

Development of a rotor blade with optimized aerodynamics to propel a quadcopter

Sustainable mobility concepts are playing an increasingly important part in today's social developments. As a promising mode of future transportation, quadcopters play a special role, and their further development and optimization is being advanced along many disciplines. Even in my hometown of Zurich this trend has not passed by without leaving its marks. Since 2019, the Swiss National Postal Service has been testing autonomous means of transport together with the Zurich University Hospital as part of a pilot project. However, quadcopters are not exclusively used for transportation purposes. Geologists use them for landscape modeling and the insurance industry utilizes them for damage assessment. Quadcopters have also become an integral part of photography and agriculture, where they are used for pest control, for example [2]. I first became intensively involved with quadcopters in 2017, when I received a hobby model for my birthday in the form of the Mavic Pro from the Chinese company Da-Jiang Innovations Science and Technology Co., Ltd (DJI). In October of the same year, I completed an internship in the biofluid mechanics department of the Institute for ImplantTechnology and Biomaterials e.V., where I studied the aerodynamics of airfoils. With my Mavic Pro in my backpack, I had the idea to develop and prototype my own functional rotor for my quadcopter as part of my upcoming Swiss Matura thesis paper. The rotor would be considered functional if it generates enough lift to keep the quadcopter hovering. The focus of this project was the investigation of aerodynamic properties. The influence of other factors, such as the material used, was not the primary focus of the work and therefore not investigated in detail.

真的是23.5度嗎?-以天文及氣象資料探討固定型太陽能板最佳架設傾斜角

太陽能板一架設完成就要發電20年,若架設角度不正確,會嚴重影響長達20年整體發電量。那太陽能板最佳架設角度為何?又如何確保施工時能正確架設該最佳角度?為解決上述問題,本科展作品,藉由理論計算、電腦模擬實驗與實際系統量測交互比較驗證,依據太陽運行軌跡與氣候資料,逐步探討出固定型太陽能板最佳架設角度。我們依序進行9個實驗,成功驗證一套能依據太陽能板所在緯度與方位角來決定出固定型太陽能板最佳架設傾斜角的方法。更進一步使用數值方法以曲線揉合(curve fitting)法來得出公式,使其不需大量運算即可算出固定型太陽能板最佳架設傾斜角。最後,本科展作品使用BrainGo控制板、直線雷射、GPS、電子羅盤與陀螺儀,成功研製一固定型太陽能板架設角度標示儀,能有效幫助業者與DIY者輕易架設正確固定型太陽能板架設最佳角度,有效確保20年的太陽能系統發電效率。

費馬多邊形數定理之延伸探討

本研究旨在對費馬多邊形數定理(任意非負整數皆可表成n個n邊形數的和)進行更進一步的延伸探討,更精確地說,即是:對於給定的二次式an2+bn+c,定義一數列〈an 〉n=-1∞=〈a-1=0,an=an2+bn+c, ∀n≥0〉,而若存在一最小正整數γ,使得對於所有非負整數x,可由數列〈a_n 〉_(n=-1)^∞中取出共γ項,滿足x恰為這γ項之和。這時,我們稱正整數γ為二次式an^2+bn+c的指標值,定義函數Yi使得γ=Yi(an2+bn+c)。 在本研究中,首先先行探討函數Yi的一些基本性質,再藉由電腦以暴力法算出一些二次式指標值的下界,從這些指標值中找出規律,將其推廣至所有我們所討論的二次式,並證明之,至於再探討二次式指標值的上界的部分,我將數學家MelvynB.Nathanson證明費馬多邊形數定理的證明技巧,稍作改寫,使其能夠應用至更為一般的情況,藉此系統性的求得二次式指標值的可能上界。最後,經由不斷的優化上界與下界,即可求得二次式的指標值。