全國中小學科展

臺灣

深度學習預測仿生複合材料的斷裂行為

本實驗主要透過程式模擬及數據分析,探討受力材料之裂紋走向。透過模擬,我們找出會影響裂紋發展的因素,如原斷裂紋的長寬比。於不同的的材料會影響裂紋走向,我們將材料設置為單一材料與兩種材料組成的複合材料進行探討,並將結果進行分類。此實驗有助不我們去理解同的初始裂紋對不材料後續的裂紋關係,目前也正在嘗試利用cGan系統預測複合材料與裂紋的關係,希望能預測出準確的結果。

大生熊蟲自體螢光於檢測蔬菜硝酸鹽之應用與螢光機制探討 Application and Mechanism of Tardigrade Macobiotus Autofluorescence in the Detection of Vegetable Nitrates

利用鏡檢大生熊蟲形態檢測蔬菜中硝酸鹽壓力,常有形態判別問題,本研究想利用其自體螢光開發新型檢測模式,利用硝酸鹽壓力下其活動與隱生比例差異與自體螢光強度關係,檢測硝酸鹽濃度。顯示其自體螢光最佳激發波長為488 nm,製作檢量線(R2=0.99)與自製裝置使用470nm波長激發以壓克力濾光(R2=0.97)可檢測0〜156 mg/L硝酸鹽,可改善鏡檢缺點,並嘗試應用,發現蔬菜硝酸鹽 (小白菜492mg/L),超出其自體螢光檢測極限,且蔬菜萃取液會影響大生熊蟲自體螢光,目前能進行定性分析,後續將分析蔬菜中造成干擾物質,繼續評估其應用性。探討其螢光機制,利用組織切片,探討大生熊蟲自體螢光強度與表皮層厚度在隱生和活動狀態下,是否具有相關性,發現脫水樣本自體螢光強度與螢光面積較活動樣本無差異(p>0.05),推測自體螢光強度會受到其隱生時體表收縮程度有關。

芋頭生物塑膠材質的熱水即溶包研製

2023年聯合國氣候變遷大會(COP28)決議 2050年淘汰化石燃料。2022年聯合國環境大會制定從源頭減少塑膠垃圾的公約。為了回應這些全球目標,本研究利用廢棄芋頭皮的黏性製作生物塑膠,用於泡麵內調味料的熱水即溶包。常溫下為調味料包裝袋,熱水沖泡後即可溶解,成為富含營養的食材。 我們發現有八種配方能夠成功使其成形。其中,成本最低的配方為芋頭:明膠:小燭樹蠟:甘油:水=20:15:9:9:70。該產品在76°C以上的熱水中能夠溶解,第一次裂解時間為8秒鐘以內,之後會完全溶解。該裂解時間y(s)與溫度x(°C)的關係為:y=9.53×10¹¹x⁻⁵.⁹⁸。這使其適合用於泡麵時的熱水溫度,約 80°C以上。 物理性質包括:拉伸強度為0.70kgf/15mm,伸長率為20.4%,密度為1.11 g/cm³,含水率為20.3%。所有配方成分皆可食用,並可溶解於熱水中,適合作為泡麵調味料塑膠包的替代品,有助於減少農產廢棄物的處理量。

製備藻類衍生物碳點與 Mxene複合材料並應用高效超級電容

本研究運用綠藻、螺旋藻、卡拉膠(k,i,λ)進行製備碳點並應用高效超級電容。本實驗已完成綠藻、螺旋藻、卡拉膠( k,i,λ)在不同的pH值中的溶解度測試,並找出綠藻、螺旋藻、卡拉膠(k,i,λ)各自適合溶解的溫度及溶液。此外,中途也已透過文獻中的實驗證實我們實驗中所運用的電化學實驗設計及裝置可以成功製備出碳點。而在電化學製備碳點的部分目前完成單獨藻類、藻類加histidne的電擊實驗以及測其吸收光譜,也運用先前製備出較穩定的碳點加入MXene進行電化學分析,透過碳點擴大MXene分層,以達到增加MXene電化學效能的效果。最後,預計之後將進行更多的電化學分析,進一步地確認碳點結合MXene能在超級電容的應用。

開發共聚凝膠應用於金屬離子之富集吸附與回收

水凝膠被廣泛應用於生醫材料方面,其特性可用來吸收大量溶劑、生物流體,或是吸附水樣中的物質,其中應用於吸附金屬離子以淨水為最具發展潛力。本計畫將N-異丙基丙烯醯胺與幾丁聚醣反應形成共聚物NIPAAm-g-chitosan水凝膠,此合成水凝膠具有 生物可降解性、溫度敏感性,探討不同嫁接程度之共聚物對金屬離子之吸附效率。目前研究從FTIR確認已成功合成出NIPAAm-g-chitosan水凝膠,且膨潤率可高達約900%。此NC水凝膠比幾丁聚醣更具廣泛的pH溶脹範圍,且在150℃高溫下不會熱裂解,顯示其穩定性佳。對於金屬離子的吸附,NC水凝膠的吸附率皆較幾丁聚醣 為佳,對於鈷離子的吸附率更可高達75%,應用在工業廢水的檢測會是一大效益。

「梅」來演趣—探討台灣梅雨季之大氣流型演變與模擬

為了解台灣梅雨季的氣候特徵,本研究分析了2009至2024年間五、六月的降雨、風場流型及大氣環境。結果顯示,東北部冬季多雨,而西部地區則自五月梅雨季開始進入雨季,台灣的降雨區域逐漸南移,顯示大氣環境在此期間發生變化。我們分析了16年間的風場情形,歸納出7種單一風向流型及2種過渡流型,並整合其趨勢。我們發現,梅雨季期間,寒冷流型的出現頻率逐漸減少,而溫暖流型在夏季成為主流,不同流型之間的轉變具趨勢性。整合降雨資料後,結果顯示盛行風、低壓帶、地形效應與過渡流型對降雨有顯著影響,且發現致災性梅雨的發生條件。最後,本研究設計模擬裝置,利用不同密度的海藻酸鈉溶液與台灣模型,可模擬出符合本研究歸納的流型。

磁星短x射線爆發特徵分析:以1E2259+586為例

我們是探討磁星的短X射線爆發(Short X-ray burst)。利用RXTE太空望遠鏡觀測磁星1E2259+586的數據,經由Bayesian block方法對光變曲線篩選找出爆發,並配合「波松分佈」與「虛無假設」找出50筆爆發事件(爆發的正確性有5σ的信心水準)。再利用HDBSCAN非監督式學習演算法來對短X射線爆發進行分群,找出此磁星有「短暫且高能爆發、中等持續與能量爆發、較長持續且溫和爆發、快速且低能爆發」現象,暗示了磁星爆發的多樣性並有不同的爆發機制。此外我們也發現磁星可能有「週期性」的現象,也許是自轉週期、地殼受的應力或磁場變化經過同樣時間累積(有週期性)而爆發。我們也比對有快速電波爆發 (Fast radio burst, FRB)的磁星SGR 1935+2154,看是否1E2259+586有FRB現象,結果暗示1E2259+586可能沒有FRB現象。

橡實代謝物與飛鼠小腸內生菌共發酵產物之應用

This study primarily investigates the components of food residues in the stomach of flying squirrels and the metabolism of the intestinal bacteria Floricoccus tropicus. Using nuclear magnetic resonance (NMR) hydrogen spectrum analysis, the signals of long-chain fatty acids were detected in both n-hexane and 75% ethanol extracts of flying squirrel gastric residues and acorns, suggesting that acorns may be a primary food source for the flying squirrels. The study also identified Floricoccus tropicus, one of the lactic acid bacteria, from the intestines of flying squirrels and discovered its role in the metabolism of fatty acids in acorns. Results showed that polyunsaturated fatty acids significantly decreased during fermentation, indicating that they were converted into short-chain fatty acids with anti-inflammatory properties. In the antibacterial activity experiments, the acorn grease showed no inhibitory effects before fermentation, but after fermentation, the acorn grease exhibited inhibitory effects against E. coli. Furthermore, in anti-inflammatory tests, fermented acorn grease samples significantly suppressed the production of NO and TNF-α in LPSinduced RAW 264.7 cells, with greater inhibition at higher concentrations. In conclusion, the lactic acid bacteria Floricoccus tropicus was found to metabolize fatty acids of acorns into compounds with antibacterial and anti-inflammatory effects.

克雷伯氏肺炎菌莢膜型K47菌株之噬菌體分離及其莢膜多醣分解酶表現

克雷伯氏肺炎菌(Klebsiella pneumoniae)近年來於亞洲盛行,其除了傷害健康外,亦對於醫療經濟造成一定程度的影響。隨著時間發展,此細菌也逐漸獲得了抗藥性,使早期使用之抗生素不再有效,因此,尋找治療此疾病的替代療法成為近年來持續被關注的議題。由於其對細菌具高度專一性,噬菌體之莢膜多醣分解酶被認為極具開發抗生素替代療法之潛力。 本研究陸續於污水中分離純化出1212P2、H-P7、H-P8、0505P5、0505P6、05052P5、0505Kp3等噬菌體,並藉由一系列實驗,篩選出可能具有莢膜多醣分解酶的噬菌體。最後將候選噬菌體1212P2、0505Kp3進行全基因定序。 未來,將進行全基因序列分析,若成功比對並找到具有莢膜多醣分解酶潛力之基因,我們將對其加以表現並測試活性。並進一步進行體內試驗檢驗此噬菌體或其莢膜多醣分解酶的效力,探討其是否能作為開發藥物的工具,為對抗克雷伯氏肺炎菌盡一份努力。

方格裡的秘密—隨機分布的機率探討

本文研究了一個信息完全公開的組合遊戲,探討當一群人被完全隨機的分配到模型裡時,其初始位置與特定位置所形成的包圍關係,並探討最佳的人力分配。本研究通過座標解析與不等關係的代數運算等方法,成功找出獲勝條件對於遊戲雙方的限制,並進一步解決問題。在研究的過程中,也將結論擴展到不同模型,探討不同模型對於遊戲造成的影響,並比較其結論有何區別。