全國中小學科展

臺灣

探討不同載劑對預鋰化過程與結果之影響

鋰離子電池前幾個迴圈中,庫倫效率低(CE < 100%),表示電池負極中殘留了一些不可逆反應後的產物(Li+),鋰離子電池的預鋰化可提高電池的庫倫效率,並降低不可逆產物的比例。本研究目的為探討預鋰化過程中加入的載劑種類對反應速率及活性鋰比例的影響,以找出最佳載劑供日後使用。文獻中提及具有苯環的載劑,其預鋰效果較佳,因此本研究比較biphenyl (聯苯)、naphthalene (萘)及benzophenone (二苯基甲酮)三種載劑對預鋰化過程與結果之影響。研究過程的部分,首先藉由實驗探討最佳測量活性鋰比例的方法,其次探討短時間內精準預鋰鋰離子電池陽極材料的方式,最後進行實驗比較不同載劑。實驗結果表示biphenyl (聯苯)的活性鋰比例最高且反應時間最短,naphthalene (萘)其次,benzophenone (二苯基甲酮)的預鋰效果最差,因此biphenyl (聯苯)為本研究中最佳的載劑。另外,透過實驗探討可得出將預鋰材料在氬氣環境中加水反應為最佳的活性鋰比例測量方式,且減少tetrahydrofuran(四氫呋喃)含水量及提高載劑濃度有助於短時間內精準預鋰。本研究未來可進一步探討鈍化與燒結對預鋰效果的影響,日後亦可應用於預鋰鋰離子電池的載劑選擇,進而運用在儲能市場及電動車產業。

鐵道的翻轉人生

本校位於阿里山之下,鄰近阿里山森林鐵道,我們從小接觸森鐵旅遊,愛上森林鐵道氛圍。從網路新聞中看到有關阿里山小火車翻覆的事件層出不窮。於是利用國中自然課程中學習到有關力學能轉換和數學課程中學習到有關重心的概念。想探討阿里山小火車翻覆情況跟那些變因比較有甚麼特殊關連,因此選用車廂中重心分布情況、坡道的彎曲程度和坡道的高度來做實驗分析探討。 所以我們利用生活科技課程學習到的3D列印技術,來製作不同曲率的軌道,將不同重量的砝碼放在不同滑車的位置上,模擬出不同重量的乘客坐在不同位置的森林小火車上,當滑車行經在不同曲度的軌道時觀察記錄滑行距離和出軌的機率,藉此實驗研究探討森林小火車翻覆情況跟乘客乘坐重心分布情況、坡道的彎曲程度和坡道的高度有甚麼影響。

物聯網易上手微型沖板機

本研究的初衷是為了解決找不到適合的墊片為出發點,但是普通的沖床體積過大,為了解決這個問題,我們決定把它變小,並且對現在機械產業常使用的機構方式進行了資料收集和分類其優缺點,最後選擇了肘節機構,理由是肘節機構較適合一些簡單的運動傳輸,開始研究之後我們面臨到一些技術問題及專業問題,例如工件無法配合、沖頭的力量不夠、撰寫程式時出問題等等,經過老師的指導和協助,我們才能解決並學習更多專業知識,後來我們做了許多的實驗,包括沖孔測試和定位精度,且為了保證機台的穩定性,我們必須經過大量反覆的測試,才達到了理想的成果。

利用免疫螢光染色探討胞外基質在果蠅老化過程中對生殖幹細胞流失之影響

幹細胞具有自我更新與分化的功能,對於組織修復至關重要,於特化微環境,稱為龕。龕會與幹細胞直接接觸並透過分泌訊息因子維持幹細胞的特性。然而隨著生物老化,龕功能會隨之下降,間接影響幹細胞數量與活性,並導致組織無法修復而衰老。幹細胞如何應對老化龕以及老化對於幹細胞直接影響還不清楚。本研究利用果蠅睪丸生殖幹細胞(GSCs),探討老化對GSCs流失的影響機制。 實驗室研究發現,當公果蠅老化,一種分泌型胞外基質蛋白Perlecan(Pcan)會在GSC與龕周圍積累,導致GSCs無法直接接觸龕而流失。因此Pcan的累積與老化引發GSC流失是直接相關的,然而Pcan是由哪種細胞分泌目前尚未了解。

AI綠手指-植物診療輔助系統

本研究希望開發一套AI植物診療輔助系統。利用AI辨識植物生長曲線,適時補充所需營養。Micro:Bit監控生長環境,建立雲端資料庫。實驗發現: 一、使用過濾海綿、光照9小時、營養液濃度控制在pH值5.5到6.5、EC值(導電度)800至2000μs/cm的「植物生長環境」比「一般種植」的空心菜平均高度增加7.88公分,莖也更粗壯。 二、當植株出現病徵,如缺氮的葉面黃化,再以「AI植物診療輔助系統」種植,新葉能逐漸回復健康狀態。 本研究不僅幫助家庭簡易取得新鮮蔬菜,若推廣在科技農業,能有效減少人力成本,增加作物生長效能,邁向SDGs目標2消除營養不良與永續農業的美好願景。

風生水起-空氣產水IoT裝置

本研究探討如何利用空氣中的水分開發出創新型的空氣產水裝置。首先透過文獻探討,比較冷凝式和吸附式等不同空氣產水技術的優缺點。接著依據文獻分析,設計並製造結合冷凝式和吸附式的模組化空氣產水裝置,利用致冷晶片和矽膠做為冷凝和吸附的核心元件。實驗結果顯示,致冷晶片在工作電壓5V(功率9.2W)時,冷端溫度最低約9.4°C,對提高冷凝效率最有利。空氣產水裝置在此電壓下,產水速率可達5.41g/hr。但若考量能源效率,則在2V(功率3W)時每度電可產生550克水,產水能力最佳。而環境濕度是影響裝置效能的關鍵,當濕度低於40%時幾乎無法產水。溫度升高有助於提升產水效率,但太低時則會影響冷凝效果。基於上述實驗結果,我們結合Webduino成功開發出空氣取水IoT裝置。

麥克納姆輪車直線360度全向控制與角度誤差之探討

近年來,餐飲業及飯店業引入自主移動機器人(AMR)提供服務,受到廣泛歡迎。優化移動限制和應用於電動車的可能性成為關注焦點。本研究探索與分析擁有卓越機動性的麥克納姆輪的合力方向,通過數學推導和實際控制方式的驗證,確認其18個方向移動的數學式;同時,針對麥克納姆輪的全向移動進行探討,建立360度直線移動的數學式,並利用ESP32-S單晶片成功實現數學式中速度的變化。此外,分析了不同變因對車子的影響,測試出麥克納姆輪適合的地面材質以及負重。

以最佳化演算法進行鐵路時刻表排點

鐵路時刻表排點直到目前為止仍十分仰賴人工作業,且排班優劣對於乘客服務品質有顯著的影響。本研究採用啟發式最佳化演算法以及模擬器進行旅客列車鐵路時刻表排點,希望能夠找出一份針對旅客需求,能夠提升旅客運輸成功率且降低旅途時間的時刻表。我們提出一種班表編碼機制,可依此機制產生班表草稿。我們研發的模擬器可將班表草稿轉換為合法無衝突之班表。最後,透過登山演算法來搜尋班表草稿,並以模擬器評估班表優劣,我們實現了一個自動化排班系統。實驗結果指出我們的模擬器能夠有效率地產生無衝突之班表,且所提出之演算法操作有助於提升運輸成功率和降低旅途時間。

大「逆」不道—局部逆境下植物體內傳訊與物質分配機制

When a leaf of a plant encounters stress, how does the plant convey the stress signal to other tissues and manage nutrient distribution? This field of study has been largely unexplored. However, the unique interconnected frond structure of Lemna trisulca, along with the use of a divided Petri dish, is very suitable for handling localized stress and investigating the mechanisms of intracellular signaling and nutrient distribution. Research has shown that when the mother leaf experiences localized stress, it releases healthy daughter leaves to minimize collateral damage to the daughter leaves. Conversely, when the daughter leaves face localized stress, the mother leaf chooses to retain them and continues supplying them with nutrients to support their survival. In-depth studies revealed that stressed daughter leaves accumulate Reactive Oxygen Species (ROS), triggering nutrient distribution by sending a distress signal to the mother leaf. This prompts the mother leaf to use Ca2+ as a signaling molecule to deliver nutrients to the daughter leaves. Selective detachment is regulated and triggered by the interaction between Ca2+ and ROS within the mother leaf. When the mother leaf undergoes stress, Ca2+ acts upstream to induce ROS accumulation at the nodes, sending a unidirectional detachment signal to the daughter leaves. This causes ROS accumulation at the daughter leaf nodes, inducing detachment and thereby reducing the collateral damage the daughter leaf could experience due to the mother leaves.

以電漿沉積氟化聚矽氮烷優化不鏽鋼材表面性質及其應用性之研究

不鏽鋼材(SS)表面改質與優化可提升抗蝕性,故極具應用價值,目前多使用昂貴合金或低成本的塗層方法。電漿沉積為先進塗層技術,其所發展的聚矽氮烷薄膜可提升抗蝕性,但表面疏水性限制其應用範圍。本研究以CF4電漿改質不鏽鋼材表面的聚矽氮烷,以調控表面之親、疏水性。浸泡模擬體液發現最佳化製程條件為:流率10 sccm、功率30 W、工作壓力80 mTorr之CF4電漿處理ppHMDSZ聚矽氮烷1分鐘,將薄膜改質為親水性並維持94%抗蝕性。分別在體液與海水環境,改質後薄膜仍具抗蝕性與親、疏水穩定性,且表面可抗蛋白質沾黏。本研究結果可發展為風機水下結構之抗蝕材料,此親水表面於金屬醫材應用亦具突破。