全國中小學科展

臺灣

Electrical Characterization of MoS2 Field-Effect Transistors at Cryogenic Temperatures

隨著矽基電晶體逐漸微縮,其元件效能將接近其物理極限,二硫化鉬 (MoS2) 等二維材料藉著其獨特的特性(如寬的能隙、高電流開關比及優異的載子遷移率等),可作爲矽的替代材料用於未來的電子科技應用。本研究旨在製造MoS₂ 的場效電晶體並研究元件之低溫特性。我們成功利用機械剝離法製備並轉移二維 MoS2薄膜至二氧化矽/矽基板上,並且製造MoS₂ 場效電晶體,並量測其室溫(300 K)至極低溫(~ 4 K)的電流特性,元件在此溫度範圍中具有優異的特性,能有效地調控電流調控,表現出良好的下閘極控制能力,同時具有低次臨界擺幅及高電流開關比(~ 106)。在極低的溫度(4 K)下,該電晶體仍能保持良好的運作,顯示出MoS₂應用於低功耗且高元件效能的低溫電子元件的潛力。

應用多任務學習神經網路建構可識譜六孔竹笛機器人

本研究目標在建構可以識譜及吹奏中國笛的吹笛機器人。中國笛演奏必須協調吹法及指法;藉由控制吹氣流速、吹嘴角度及六指按壓音孔的變化來控制音高以完美地吹奏樂曲,是一項複雜的演奏技術。機器人以模擬吹笛口型的吹嘴,搭配兩個風箱往復送氣到一個壓力調節風箱送氣,以微控制板控制六個機械手指來蓋放完成演奏,為在音尾可確實止氣,設計一個風門,利用風門開闔也可模仿吐音技巧讓笛聲明確發音。辨識樂譜方面收集樂譜樣本,樣本分成譜線、音符、節奏三套,透過多任務學習MTL的深度學習架構進行訓練,建構可以辨識五線四間上下三線及全音符到16分音符及休止符的樂譜辨識模型。經測試若樂譜在符合音域範圍內,可以完整的辨識,轉換成音符資料傳送給吹笛機器人吹奏。

短期睡眠剝奪對小鼠免疫系統的影響

現代社會中,睡眠剝奪已成為普遍問題,人們對其對免疫系統及整體健康的負面影響愈加關注。本研究使用特製的旋轉鼠籠讓小鼠連續72小時保持清醒,探討急性睡眠剝奪對小鼠免疫反應的影響。研究發現NK細胞與脾臟中的記憶CD8 T細胞比例明顯減少,顯示細胞毒性功能受損或記憶免疫反應下降。與此同時,抗炎細胞因子的表達增加,而促炎細胞因子和相關基因的表達則有顯著下調。此外,雖然觀察到B細胞比例有所增加,這可能是免疫系統在細胞免疫功能受損時,維持免疫穩態的反應。這些發現揭示了睡眠剝奪可能抑制免疫系統造成損害。本研究強調適量睡眠對維持免疫平衡的重要性,並指出睡眠不足可能促進慢性免疫問題的發展。在此基礎上,後續研究可探討短期睡眠剝奪與腫瘤及免疫系統的關聯,並延伸至長期剝奪的影響。

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。

「飛到西飛到東」對應異頻穩定三角訊號之波形分析

本篇研究以探討多重訊號同時輸入時的訊號干擾問題出發,類比至國立臺灣師範大學數學系游森棚教授所提出的數學問題: 飛到西飛到東」,希望藉由導出多質點移動速率與其距原點間的位置關係,找出訊號重疊程度之峰值條件,藉此有望應用於硬體接收器的訊號輸出處理,或類比至電路設計與物流規劃等,達到避免相互干擾與提升傳輸效率的功用。 在內文中我們先以分段討論的方式解決期刊問題,並導出在任意系統中可快速辨別物體運動狀態之高斯函數。隨後以參數化曲線路徑與向量式的質點位置,拓展主題可適用範圍的自由度,再以高斯函數法和傅立葉級數法得出解型式之聯立組,最後利用數系之封閉性,將主題進一步約化處理。

二氧化碳捕捉術-銅鋅雙金屬奈米觸媒對二氧化碳還原反應效能及機制之研究(Carbon Dioxide Capture Technology: Study on the Efficiency and Mechanism of CO2 Reduction Reaction Using Copper-Zinc Bimetallic Nanocatalysts talyst)

本研究以電化學二氧化碳還原反應(CO2RR)技術將二氧化碳還原成高經濟能源燃料,使用水相合成法製備Cu/Zn銅鋅雙金屬奈米觸媒,改變金屬間的比例: Cu2Zn1、Cu1Zn1、Cu1Zn2以及通入N2/O2/H2 熱處理改變觸媒氧化態,而改變氧化態可以在化學性質、催化活性、電子結構等方面有重要影響使其催化出不同反應路徑,改變產物生產效率和選擇性。用能量散射光譜儀、X光繞射儀鑑定奈米觸媒間金屬比例和晶型;線性掃描伏安法和氣相層析儀探討二氧化碳還原法拉第效應和生產效能。結果發現Cu2Zn1-N2能產生最多的CH4,因改變氧化態使其效能高達53.03%; Cu1Zn2產生最多的CO,效能為44.99%,推論為鋅的比例較高所致。

富貴角風稜石形成機制之探討

臺灣北部海岸富貴角地區的風稜石母岩為兩輝安山岩,經過風化、風蝕及海蝕而形成目前獨特之外觀。這些岩石源自火山噴發形成的熔岩流,岩漿冷卻形成熔岩塔,裂解後受外營力作用逐漸成形。不同地理位置的風稜石受侵蝕的影響差異顯著:海岸邊的風稜石同時受到海浪和風的影響,外型較圓鈍;陸地部分則因受到海蝕影響較小,外型較為尖銳。另外,本研究利用噴砂實驗進一步驗證不同風速和風向對風稜石生成過程的影響,並分析其形態差異及地質學意義。

Feasible fabrication of chitosan capped mesoporous silica nanoparticles as a smart mucoadhesive drug delivery platform for dexamethasone

中孔二氧化矽納米顆粒(MSN)由於其高孔隙率而適合成為藥物載體,可增加ul藥物的負載量。幾丁聚糖是一種帶正電的聚合物,用於修飾MSN表面,以達到強力的靜電吸附力,並進一步提高藥物負載能力,以及可持續併緩慢藥物釋放的控制。 MCM-41和 MCM-48型的MSN,通過 CTAB界面活性劑為模版,以溶膠-凝膠法制備。SBA-15型的MSN由 P123為模版製備。MCM-41 通過戊二醛的交聯進一步被幾丁聚糖包覆 (MCM-41-CHIT)。 利用 X 射線繞射儀驗證了所有載體皆是中孔洞的六方密堆積晶體結構。利用傅里葉變換紅外光譜,鑒定了烷基、胺基、和二氧化矽官能團,證實了表面的幾丁聚糖。 MCM-41-CHIT 的地塞米松載藥量為53.7%。MCM-41有突發釋放的現象,在 兩天內釋放出 80%。另一方面,MCM-41-CHIT中的藥物釋放,表現出恆定的釋放,五天後僅釋放出19.7%。 這項研究確定了MCM-41-CHIT 是可應用在粘膜吸附藥物遞送系統,可做為好的候選藥物載體。

利用體外測試方法探討生醫水凝膠與材料表面附著性質之關聯 Investigation of the relationship between biomedical hydrogels and surface adhesion properties using in vitro testing methods

醫療級水凝膠在注入人體後容易因運動行為而產生位移,因此需要體外測試方法來評估水凝膠的附著性,以製備適合不同部位使用的水凝膠。本研究設計兩種測試方法來模擬水凝膠在人體的斜角流動狀態和旋轉流動狀態的位移,藉此推斷水凝膠施打入體內後的變化。本研究採用兩種不同黏性的水凝膠和不同粗糙度表面如人工皮、陶瓷和金屬來模擬人體部位的接觸面,探討水凝膠的附著性質。斜角流動測試下,黏性高的水凝膠在陶瓷和金屬 30°、45°及90°的斜角下幾乎不會流動,黏性低的水凝膠則會隨著角度的增加而流速加快。陶瓷粗糙度最高,水凝膠在其表面上附著性質較強。旋轉流動測試下,高黏性的水凝膠在模擬跑步時都具穩定性,而低黏性則只適用於較穩定的步行狀況。體外測試方法能區分不同黏性水凝膠的附著性質,說明此方法可作為篩選適用的水凝膠的依據。

非牛頓流體於地下結構中的減震效果與減震裝置探討 The damping action and the effective damping structure of the non Newtonian fluid in the gap between basement wall and diaphragm wall

本研究探討臺灣常見的鋼筋華廈、鋼筋及鋼骨大樓,透過於地下室外牆與連續壁間填入非牛頓流體、牛頓流體及輕黏土,比較建物受震時加速度,發現地下結構中設置非牛頓流體減震裝置較牛頓流體、輕黏土更減震。而模擬器搖晃20-50秒時,非牛頓流體能顯著的減震,超過50秒後,非牛頓流體可能因沉澱而減震效果下降;在100秒後,無減震裝置的建築加速度上升,非牛頓流體再次出現明顯的減震效果;不同重心的建築質量分布導致不同的擴溶現象,使減震效果發生變化;較高的建物因力臂較長,重心高時產生較大的加速度。接著觀察光穿透吉利丁凍的偏折情形,發現受力面與地震方向垂直時,牆面受力明顯;若受力面和搖晃方向不垂直,柱的部分受力大,且觀察到力量有轉移的現象。最後,為建築設計超聲波測距模組,即時監測建築下陷或傾斜情形,以利即時修繕及重建。