全國中小學科展

2016年

攜手共解圓-扭結理論之探討

此篇研究發現在任何一個結中,都可以利用「牽手順序」和「交錯點編碼」兩種結的資訊直接看出一結化簡後的圖形。利用從「Reidemeister moves」所衍伸出的四種化簡方法{α, β, γ, δ}能更有效率的簡化結,並證明只需{α, β, γ, δ}就可化簡任何結,也利用{α, β, γ, δ}來驗證HOMFLY多項式是結不變量。由圖形及結的資訊我們發現,可使用「牽手順序」和「交錯點編碼」,搭配所討論出{α, β, γ, δ}的通式,依照步驟及通式簡化任何結。 本篇最重要的成果為:只需利用{α, β, γ, δ}即可化簡所有的結,而且比Reidemeister moves更有效率,因此可用{α, β, γ, δ}取代Reidemeister moves。 不管是一個封閉曲線或是兩個以上封閉曲線,都會遵守前述的規則,可利用{α, β, γ, δ}簡化圖形。文中也討論了較特別並具有規律的結──「星星結」,發現星星結只需使用「牽手順序」即可簡化,最後利用星星結的結論,發展出牽手遊戲中特殊的牽手遊戲情形。

Beets Revolution

There is currently an interest in developing supercapacitors as the booming of smartphones and other mobile electric devices. Despite offering key performance advantages, many capacitors pose significant environmental hazards once disposed. They often contain fluorine, sulfur, toxic transition metal and cyanide groups, which are harmful if discarded by using conventional landfill or incineration methods. The objective of this project is to find an environmentally benign alternative for building various key components of supercapacitors structures. From the electrolyte, carbon substrate and materials corresponding for Faradic reaction, all the materials were devised from renewable biomass. In our research, two novel designs of betanin/sulfonated carbon supercapacitor and quinone/sulfonated carbon supercapacitor were invented. Betanin and quinone, extracted from beets and Sencha, was preloaded on the sulfonated carbon nanosphere as the composite. While sulfonated carbon nanosphere were fabricated by hydrothermal synthesis of renewable biomaterial, followed by surface functionalization - sulfonation for increasing the loading capacity of nanoparticle. Nanostructured morphology and surface functional groups were examined and confirmed by SEM and IR spectroscopy. Specific capacitance can be boosted up through optimizing the particle size, morphology and surface polarity of carbon substrate and the type of electrolyte. From the experimental result, it is believed that the nano-architecture, with active functional groups, of carbon nanosphere enables the efficient charge transport and electrode stability, allowing the composite with high capacitance (94–209 F g–1 at a current density ranging from 1 to 4 mA cm–2), high capacitance retention of over 90% after over 20,000 cycles respectively, and over a wide range of temperature. Superior electrochemical performance of both betanin/sulfonated and quinone/sulfonated carbon supercapacitor can be attributed to the large accessible surface area of the porous structure, low interfacial resistance and its structural stability. It shows that they have relatively higher tolerant towards heat and extreme pH mediums. The green electrochemical capacitor exhibits a promising capacitive performance of 209 F g–1 with high capacitance retention of over 90%, opening up new possibilities for the production of environmental friendly, cost efficient and lightweight energy storage system using renewable biomass as the basic building materials without harming the environment.

建立細菌系統的雙分子螢光互補試驗做為α-突觸核蛋白聚集抑制物篩檢平台

帕金森氏症(PD)是一種慢性中樞神經系統退化性疾病,患者臨床症狀包括靜止時震顫、動作遲緩、僵直及黑質緻密部多巴胺神經元的漸進性退化等。PD的主要病理特徵為多巴胺神經元中出現包含α-突觸核蛋白(SNCA)錯誤摺疊、聚集的路易小體。雖然PD的治療方法包括給予左旋多巴或其他藥物、物理治療、手術等,至今尚未有根治的方法。本研究建立雙分子螢光互補試驗與蛋白質摺疊報告者試驗兩種原核細胞平台,作為篩檢可幫助α-突觸核蛋白摺疊的化學伴隨蛋白平台。雙分子螢光互補試驗是將Venus黃螢光蛋白改進版切開成N端(VN1-211)及C端(VC212-239)二段,分別接在SNCA的N端(VN-SNCA)或C端(SNCA-VC),原本沒有螢光的片段可藉融合的SNCA聚集的再組裝而出現螢光。當構築的VN-SNCA and SNCA-VC質體共表現於大腸桿菌後,蛋白質染色及免疫轉漬可偵測到表現的VN-SNCA、SNCA-VC蛋白,並出現伴隨著SNCA聚集所導致的互補螢光。我們以可干擾SNCA聚集的海藻糖來測試此聚集抑制物篩選平台,發現在不影響大腸桿菌生長的狀況下,海藻糖的濃度與螢光下降程度呈正相關,推測因其能減少SNCA聚集,導致螢光分子互補的機率下降。蛋白質報告者試驗是將野生型(WT)與突變型(35/46/61 E-to-K)的α-突觸核蛋白與綠螢光蛋白的融合蛋白(SNCA-GFP)分別表現於大腸桿菌,突變型的α-突觸核蛋白的傾向錯誤摺疊,會影響融合的綠螢光蛋白摺疊,而導致綠螢光下降,而海藻糖的化學伴隨蛋白活性可幫助突變型的α-突觸核蛋白摺疊,因而改善融合的綠螢光蛋白的摺疊,導致綠螢光上升。未來我們用此兩種原核細胞平台,來篩檢可幫助α-突觸核蛋白摺疊的新穎化學伴隨蛋白。

小兵立大功-發現日常生活中可抑制腦癌細胞之植物萃取物

本實驗藉由「篩檢抑制癌細胞增長的藥物」來尋找可以抑制癌細胞生長的植物萃取物。我們希望從日常生活中唾手可得的蔬果類植物中尋得抗癌藥物。曾經在生物課聽老師提過,紫衫中的紫衫醇可抑制乳癌;由此我們產生一個想法:是否從日常生活中的植物中也能找出有效抑制癌症的成份?因此便著手進行。先從尋找相關論文、蒐集植物,經由萃取、篩檢四種蔬果類的不同部位之水粗萃物或酒粗萃物,我們得到三種蔬果類可有效抑制腦癌細胞的增長。之後選出實驗效果較為顯著兩種水粗萃物進行西方墨點法,初步確認影響腦癌細胞生長的可能機轉:Akt以及Erk;實驗過後發現以上有兩種水粗萃物能透過這兩種訊息傳遞分子影響細胞生長。最後再進行高效液相層析法,期望能夠找出抑制腦癌細胞生長的物質。日後希望這部份的實驗能完整,以期最後的成果。

Bubble film with vortex

A simple and cheap bubble film experiment system was constructed by us. Although it is simple, it can observe the phenomenon similar to those observed in the wind tunnel system or PIV system. But because of gravity, bubble film become a little more complex. We programed some codes to analyze the data and showed bubble thickness is proportional to the Reynolds number. The low frequency sound can make bubble film rotate. And we also study the wing’s attack angle, from 0 to 75 degree with interval of 15 degree, discovering the 15 degree is the best flying attack angle.

What would you do?——以捷運實地實驗探討旁觀者的助人行為

本研究透過實地實驗的方式,旨在針對旁觀者表現的助人行為作探討。研究者於台北捷運站分別扮演強勢者、弱勢者以及普通人的角色,並且讓強勢者表現違反社會常規的行為(欺凌弱勢者),從旁紀錄當以上三者分別需要幫助時,旁觀者表現的幫助比率,進一步分析其中的差異。實驗結果主要顯示以下三點: (一) 幫助率普遍皆低於50% (二) 對照組的普通人獲得的幫助率明顯高於另外兩者 (三) 強勢者獲得的幫助率高於弱勢者 由此推知在類似情況下,弱勢的形像反而會降低旁觀者的幫助意願。因此我們分別從事件本身、旁觀者本身、社會因素、服從權威現象等面向分析此結果,並佐以過去的相關實驗及文本資料,以期獲得現今大眾普遍表現的助人行為及背後的影響因素。

利用硫醇分子合成之金銅奈米團簇偵測過氧化氫及葡萄糖

本研究的方向是利用聚苯乙烯磺酸鈣(PSS)、硫醇小分子(PA)、銅離子(Cu2+)和金離子(Au3+)於最佳比例下合成的穩定金銅奈米團簇,分析此穩定、具有響應性之金銅奈米團簇並探討此系統用於過氧化氫以及葡萄糖偵測的效果,確認最佳合成比例(也就是改變PA、Cu2+、Au3+的比例)、分析特性(螢光強度、奈米團簇大小、團簇溶液分散性、有無加入PSS之影響)後,探討偵測待分析物的效果。以葡萄糖為例,加入葡萄糖氧化酶後,製造出葡萄糖酸及過氧化氫,就能藉由過氧化氫改變團簇表面特性,使螢光強度減弱來進行間接偵測葡萄糖濃度。最後藉由此金銅奈米團簇做為偵測試劑於真實樣品中進行過氧化氫與葡萄糖之偵測並探討其效果。

自行車離心自動變速器

本研究將離心力的概念導入變速機構中,設計—機械式自行車自動變速器,以達成自動變速的目的。在自行車變速系統中加上配重、凸輪和槓桿組合成一離心機構。從初步的機構模型實驗後得知,車輪轉速變快,配重承受到的離心力越大,配重的位置改變去推動凸輪帶動變速器作動,將鏈條推向小齒輪方向,變速到較高的檔位,踏板變重,避免發生速度過快而踩空的情況,反之當車輪轉速變慢,配重因承受離心力降低而被推回靠近軸心的位置,凸輪跟著被推回,變速器將鏈條拉向大齒輪,進而變速到較低的檔位,達到離心力驅動變速的效果。道路騎乘實驗中可知,裝有離心自動變速機構的自行車,在上坡時能依據踏板速度降低檔位,讓騎乘者可輕鬆完成上坡工作;下坡時則會變速到較高檔位,避免發生踩空情況;平地加速時,檔位也會處於較重檔位,達到準確變速輕鬆騎乘的目的。

新種三尾扁蟲光行為與共生藻的互利共生

三尾扁蟲(Convolutriloba)至今尚無野生棲地的觀察記錄,本研究自水族缸裡採集的扁蟲經外型描述、無性生殖以及DNA親緣關係等比對結果,證明是台灣特有的新種。本研究首次於墾丁外海發現野生三尾扁蟲棲地,其多棲息於礁石洞口,與水族缸內散布情形大有不同,因此我們設計模擬棲地使其在黑暗與光照交替的環境下生存,確認扁蟲的自然分布乃是光避性(photophobia)與光聚性(photoaccumulation)彼此調節的結果。Shannon曾指出三尾扁蟲具有光避性與光聚性,卻未探討其原因。比較扁蟲以及其體內共生藻(Zoochlorellae)在不同色光下的生理現象,共生藻紅光下光反應效率高,而扁蟲在紅光下不具光避性;其他色光下共生藻光反應效率低,則扁蟲有明顯光避性。此項發現正說明了為何扁蟲會有光避性與光聚性行為,以及扁蟲野生棲息地位於礁石洞口的原因。

格子點上選擇位置之性質研究

本文從一個現象開始:一群陌生人在坐一排座位時常不與他人鄰座,對此現象建立了一對數學模型探討。我們主要研究一維的情況下,能坐下的人數、以及若第一個人策略性的選擇,其至多能坐下的人數及策略、和隨著椅子數的增加至多能坐下的人數之變化。進一步地,我們將其中一個模型推廣到二維的情況,推導出在正方形的格子點中能坐下的人數。過程中我們先做一些預處理得到遞迴函式,然而常會遇到帶有高斯符號或是分段的遞迴函式,因此我們主要採取的手法是先猜出遞迴式的通式再歸納,或是利用調整法。最後雖然礙於二維以上的一般情況會因沒有規律而導不出完整的結論,但本文中我們做出了一些部分結果,未來也會試圖往更廣的情況突破。