全國中小學科展

三等獎

銠金屬催化劑應用於優化不對稱加成反應

本研究是以台灣學者開發之銠金屬催化劑與Benzocyclobutenol和Cyclodienenone進行不對稱加成反應作為實驗目標,利用不同的溶劑在不同溫度下進行反應,探討產物的衍生物產率和鏡像超越值的差異。 首先,尋找出一個最佳反應條件,改變濃度、溫度、比例等變因並優化反應。接著嘗試改變Cyclodienenone上的官能基組合,觀察其對反應造成的影響並探討,及測試此銠金屬催化劑對不同官能基的容忍性,增加其官能基廣度。 實驗結果顯示,大部分反應條件產率可達60%以上,光學選擇性e.e.超過 90%。未來希望能將此銠金屬催化反應應用於不對稱藥物合成,成為一個合成高光學選擇性和高光學活性產物的方法,達到省時、省錢及高效之目的。

Body Movement Generation for Expressive Violin Performance Applying Neural Networks

基於音樂輸入的動作骨架生成是一個正在興起的研究主題,然而在弦樂樂器的演奏骨架生成上,由於動作與音樂資訊間並非是一對一的對應關係,且在時間序列上非常注重前後關係,此問題仍非常具有挑戰性。在研究中,我們設計新的架構,將小提琴演奏者的演奏各部分拆解並分別生成。針對前人研究及此研究的研究結果,我們分別進行了客觀測試及主觀問卷的評估,兩方面皆顯示我們的研究結果較前研究進步。就我們所知,此篇研究是第一個嘗試在小提琴演奏動作上加入音樂情緒的研究。

Limited Query Black-box Adversarial Attacks in the Real World

We study the creation of physical adversarial examples, which are robust to real-world transformations, using a limited number of queries to the target black-box neural networks. We observe that robust models tend to be especially susceptible to foreground manipulations, which motivates our novel Foreground attack. We demonstrate that gradient priors are a useful signal for black-box attacks and therefore introduce an improved version of the popular SimBA. We also propose an algorithm for transferable attacks that selects the most similar surrogates to the target model. Our black-box attacks outperform state-of-the-art approaches they are based on and support our belief that the concept of model similarity could be leveraged to build strong attacks in a limited-information setting.

大姬蛛不規則網之拓撲探究

蜘蛛網在生態學上最成功的在於出色的力學性能、強度、韌性、彈性和堅固性。蜘蛛網的結構從序列設計到蛛網架構都是屬於分層結構。因應不同環境,蜘蛛因環境變化調整蜘蛛網架構。利用GeoGebra軟體分析大姬蛛三維(3D)立體不規則網及拓撲學結構,並以數學幾何方式繪製出蛛網立體架構。 蛛網架構分為:主網、立體次級架構、牽引絲及支架。結網的過程為:牽引絲→主網→次級架構→支架。依照環境不同,蛛網類型區分為三角體、輻射型及吊帶型。蛛網的穩固性:輻射型(n=11)>三角體型(n=9)>吊帶型(n=8)。內部的主網分成12種拓撲學形狀,其中以稜椎體(29%)比例為最高。依網高指數及支架的有無,蛛網的結網方式:包覆式、紮營式以及倚靠式結法。網的功能依照蛛網上的卵囊有無做為區分,有卵囊蛛網為保護功能,無則為獵食功能。設計的三種環境實驗箱,都結出相對應的蛛網類型。

PVA unveiled the actual role of starch in the Briggs-Rauscher reaction

The Briggs Rauscher reaction (BR reaction) is one of the famous oscillating reactions; the aqueous mixture of KIO3, H2SO4, H2O2, C3H4O4, MnSO4, and starch exhibit color change between yellow and blue-purple repeatedly. The blue-purple color formation is due to the iodine test reaction caused by inclusions of polyiodides such as I3- and I5- in the helical structure of starch. Therefore, starch has been regarded as only an indicator in the BR reaction. But our seniors have found that the oscillation did not last without starch. They hypothesized that starch’s linear helical framework is necessary to elongate the lifetime of the oscillating reaction. If this hypothesis is correct, similar BR-type oscillations must be observed when other polymers with helical structures are used instead of starch. We found the literature which reports that polyvinyl alcohol (PVA) forms a helical structure and indicates the iodine test reaction. In our research, we studied the BR reactions using PVA, with different saponification degrees and viscosities. First, we studied the correlation between the structural features of PVA and the iodine color reaction by spectroscopic approach, exhibiting that PVA with low saponification form helical structures and show the iodine color reactions, which gives red color solutions. Second, we found that additions of the helical-structured PVA to the reaction solution instead of starch induces the BR-type oscillating reactions, while PVA without helical structure induces only a few numbers of oscillations. This is the world-first example of the oscillating reaction using PVA. The oscillation that lasted for 6 minutes with 23 oscillations was almost the same as that of the general BR reaction using starch. We concluded that the polymers with helical structures are intrinsic to elongate the lifetime of the BR reaction. Furthermore, we found that the addition of K3[Fe(CN)6], which has a high redox activity, in the reaction solution with PVA drastically elongated the lifetime (50 min) and increased the numbers of the oscillations (nearly 100 times). This result suggests that the oxidation-reduction reactions by the ferricyanide ion promotes the redox process of iodine and iodide ions.

改良鐵氧體法利用配體去除含鉻廢水

鐵氧體是一種有特定晶體結構的複合氧化物,不溶於酸、鹼、鹽溶液和水。 鐵氧體法是目前較高效率、低成本處理六價鉻廢水的方法,該方法是利用亞鐵離子提供的電子將水溶液中的六價鉻還原成三價鉻,三價鉻取代鐵離子進入鐵氧體晶格後,形成鉻鐵氧體並沉澱。但在此過程中亞鐵離子只能提供一次電子,無法再次還原六價鉻。 目前已有文獻利用鐵氧體法達到99.68%的二鉻酸根去除率(1)。而在另一份文獻中指出,藉由亞鐵反應後形成的鐵離子與特定配體螯合,配體會釋出一個電子並使其再次還原成亞鐵離子(2)。根據這份文獻所指出的反應對鐵氧體法做出改良,進而達成亞鐵離子重複利用。目的是利用較少的亞鐵達到一樣甚至較高的去除率。 在我們的實驗中選擇了兩種配體。第一種是2,2'-聯吡啶,其是根據文獻的特定配體中選擇。第二種是乙二胺四乙酸二納,選擇它的理由是其對環境的危害較小。

發光基團與巴克球作為二氧化碳還原光觸媒之研究

本研究使用巴克球C60或巴克球衍生物PC61BM作為主催化劑,發光基團DTBT作為副催化劑,製成混摻催化劑並調控各種變因,進行光催化二氧化碳還原反應,期許能設計催化效果最佳之有機光觸媒,達到開發再生能源與減緩溫室效應之目標,甚至應用於殺菌與分解汙染物等其他方面。 利用氣相層析儀進行二氧化碳還原產物之定性及定量分析,目前產物以一氧化碳為主、甲烷為輔,主、副催化劑混摻之產率優於單一催化劑,主催化劑選用PC61BM優於選用C60,DTBT與PC61BM混摻莫耳比為1:1時一氧化碳的產率最佳,而莫耳比為2:1時甲烷產率較佳。若在反應瓶中添加氫氣或增加水量,皆有助於提高甲烷的產率。在製程中添加奈米銀製成三元混摻元件,可大幅提升產率,是未來研究方向。

正n邊形內接正四邊形之探討

本篇將探討在正n邊形中的內接正四邊形,即此正四邊形的四個頂點分別位於正n邊形的四個不同邊上。我們將正n邊形依邊長數分為n=4k、4k+1、4k+2、4k+3,透過電腦繪圖、尺規作圖法及公式驗證,得到以下結論:正n(n=4k)邊形有無限多個共中心內接正四邊形,而其餘正n邊形中,皆只有一個(本篇中圖形經過旋轉對稱後,大小、位置相同者為全等,則視為 "同一個")內接正四邊形,且在n=4k+2時,內接正四邊形必和正n邊形共中心;n=4k+1或4k+3時,內接正四邊形必不和正n邊形共中心,但內接正四邊形之中心必在正n邊形的一對稱軸上。最後我們提供一個能在所有的正n邊形畫出內接正四邊形的尺規作圖法。

偵測注音文密碼強度之研究

密碼為我們生活中常見的一項工具,它可以為我們保護我們的隱私,以免受到別人侵犯,但也同時間出現許多問題,例如:若密碼太過單純會使密碼的功能失去意義,讓其他人可以輕易存取使用者的資料。 在臺灣,注音文密碼是十分常用的密碼,因為它乍看像亂碼,其實有一定的規律存在,而這些密碼,卻容易被判斷為安全的密碼,因此,我們希望可以將這個問題改善。 在研究中,我們先研究密碼強弱,再探討注音文密碼中在一般密碼中的比例,最後達成我們希望的目標—寫出一個可以偵測加入注音文策略的程式。在研究中,我們亦討論各個密碼演算法的優點及缺點,以找出可以最準確判斷的程式,並在研究的最後,提出可以將這套方法擴充至其他語言或是輸入法的可能性。

二元3平衡n字串之排列數探討

本研究旨在探討由0與1組成長度為n的二元字串中滿足000-子字串數和111-子字串數相同(稱為平衡)之排列方法數。我們分成3個部分來探討:一、首先我們利用程式計算二元3平衡n字串和二元3非平衡n字串的個數,並觀察在不同n值下,平衡與非平衡字串個數之規律性;二、接著我們發現非平衡字串個數在000-子字串和111-子字串之差值為一固定形式時,不同長度之字串符合個數會形成一階差數列,我們對此猜測提出證明並嘗試利用此性質推導出二元 3 平衡 n 字串個數之一般式;三、最後探討二元 3 平衡 n 字串個數之成長速度,推論當 n 值極大時,二元 3 平衡 n+1 字串的個數大約為二元 3 平衡 n 字串的個數的2倍。同時,我們也將3平衡推廣至r平衡,提出一些相關的結果。