全國中小學科展

臺灣

法拉第波輔助合成奈米鎳並應用於有機污染物的快速脫色 Nanostructured Nickel Synthesized through Faraday Waves and Its Application to Rapid Contaminants Decolorization

超音波已廣泛用於奈米粒子的製備,然可聽聞音對奈米粒子製備的影響卻少有研究。本研究以簡易喇叭裝置產生可聽聞音並在溶液表面產生法拉第波及內部流動,來輔助製備奈米鎳。法拉第波是一種表面非線性駐波,透過調整容器形狀、振動頻率等,可產生不同波形。本研究嘗試在法拉第波輔助下,以化學還原法及電沉積法製備出不同性質的奈米粒子。SEM量測並比較無輔助、法拉第波輔助、超音波輔助製備出的奈米鎳的形貌、分布的差異。並將其應用於有機物(即剛果紅、亞甲藍、4-硝基苯酚、2-硝基苯酚)之催化還原。而由SEM量測、催化還原結果及理論模擬反應熱可知,法拉第波確實能夠改善奈米鎳的粒徑大小、分散性、對氫的吸附能力及催化還原能力。

模擬黑洞潮汐破壞事件之演化和分析其逃逸比例與吸積率之探討

在超大質量黑洞周圍,偶爾能觀測到潮汐破壞事件的發生,而這也是一個能夠探測黑洞的手段。潮汐破壞事件是一種特殊的現象,當一個天體進入到所謂的「洛希極限」半徑範圍內時,因為受到的潮汐力超越了自身的重力而遭到撕裂。當這個事件發生時,會因為黑洞在吸積的過程中產生明顯的亮度變化,因此可以透過一系列的亮度變化觀測潮汐破壞事件,並可以推算黑洞的各項參數,因此潮汐破壞事件在天文學的發展上有其重要性。 因此,我們想要嘗試模擬潮汐破壞事件的演化過程。我們學習Linux語言以及如何使用Mcluster和PeTar等模擬軟體,並透過Python分析模擬結果,然後與理論預測值進行比較,以了解我們有那些地方需要修正。

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。

ZIFs與釩氧化物作為鋅電池陰極材料之應用與性能研究

本研究旨在優化鋅離子電池陰極材料的性能,選用沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)與釩氧化物(V6O13)進行複合材料的合成與應用。隨著鋰電池成本的上升,鋅離子電池因其安全性與成本效益逐漸受到重視。ZIFs 具有高比表面積及良好的離子導電性,而V6O13則因多價態和優良導電性而成為潛力材料。通過結合這兩種材料,我們開發了具有多孔結構和優異穩定性的複合陰極材料,再使用 PXRD、SEM 及 EDX 對材料進行結構表徵,並使用此新材料製作鋅離子電池進行電化學性能測試。結果顯示,熱裂解後的 PY-VxOy@ZIF-Zn/Co具有最佳的克容量及穩定性,且在500次循環後保持良好的穩定性。本研究展示了ZIFs和V6O13結合在鋅離子電池中的應用潛力,為低成本、高效能的儲能解決方案提供了新的方向。

恆星磁場的觀測與分析計算–主序星磁場的規律

恆星磁場是影響恆星活動的主要因素之一,可藉由光譜上的磁分裂譜線進行量測,近幾年來,由於觀測設備的進步,更高解析力的光譜儀出現,使光譜上的磁分裂譜線更加明顯,更容易對其進行測量。主序星是赫羅圖 (H-Rdiagram) 上最具規律的恆星類型,其各種物理量間大多可以簡單的線性關係表示,因此本研究專注於研究主序帶上各種表面溫度的恆星之磁場大小。本研究透過 Python 計算 Lamost 資料庫中主序星光譜的磁分裂譜線波長差,再透過Phoenix 資料庫庫中的恆星標準光譜與 AtomicspectrallinedatabasefromCD-ROM23ofR. L. Kurucz.找出該分裂譜線是由何種元素造成的,並計算出該分裂譜線的朗德 g 因子 (Landég factor),以此計算出主序帶上表面溫度 3300K~8000K 的恆星之磁場大小。並透過各種次方的多項式對觀測數據的平滑曲線進行擬合,以及結合現有的恆星標準模型,找出最能描述恆星磁場大小與表面溫度之關係的多項式。

滾動的「刺」界—濱刺麥滾動因素之探討

此實驗主要在探討不同條件對濱刺麥(Spinifex littoreus)滾動之影響,並利用模型(以下簡稱模擬球)來推導其實際滾動之效果。我們利用木板作為模擬球滾動的環境,並設計了四個操縱變因,分別為刺的長度、數量、材質(模擬球本身的條件)及風速(外在環境條件),測量模擬球的滾動軌跡、終端速度等物理量,並利用tracker、Excel等軟體分析數據,發現了刺的長度和環境風速與模擬球滾動的終端速度呈正相關;而刺的數量則與模擬球滾動的終端速度呈負相關,刺的材質主要影響滾動的阻力。

以磁鄰近誘發非傳統超導

本研究以熱蒸鍍法製作 31 nm Sn 顆粒以及 15% Sn 被 Ni 取代的 38 nm Sn85Ni15 顆粒,探討奈米化及磁鄰近(magnetic proximity)共同引發的非傳統超導行為。分析 X 光繞射譜圖所得電子密度分布,顯示添加 Ni 引發部分內層電子轉移到鍵結區域。磁矩量測顯示 31 nm Sn 在300 K 仍具鐵磁性,而 38 nm Sn85Ni15 的磁矩是 31 nm Sn 的 3 倍之多,指出所添加的 Ni 確實提供較高磁分量,在 Sn 離子鄰近提供一區域磁場,誘發磁鄰近效應。38 nm Sn85Ni15 的超導溫度大幅提升到 7.75 K 為塊材 Sn 超導溫度 3.72K 的 2.1 倍,且外加磁場對弱化超導溫度的效率,在 200 Oe 出現大幅轉折,高於 200 Oe 對超導溫度幾乎沒有影響,出現拒磁及容磁兩種超導行為。這些行為可以用顆粒內層為 s-波(s-wave)超導耦合及外層為非 s 波(non-s-wave) 超導耦合來理解。

跨語言交流與環境感知的智能眼鏡-EchoLens

本研究提出一款結合生成式AI能進行場景分析,進而綜合情緒、語氣、文化禮節給予最佳回覆的人工智慧眼鏡。目的希望使用者不需要透過手機即可實現即時語音翻譯、情境分析與天氣資訊抓取功能。系統以ESP32為主要控制核心,搭配Android Studio開發之應用程式,透過WiFi採用UDP通訊協定進行無線通訊,提供精簡的翻譯與應答建議。每次翻譯處理後,GPT根據語境與提示詞再將翻譯結果與應答建議,傳送回並顯示於智慧眼鏡的OLED螢幕,將即時資訊呈現在使用者眼前,實現流暢的跨語言互動體驗。

「稻」出「鋁」想「充」能力

本研究利用農業廢棄物再加工後的-炭化稻殼,經食用醋處理後搭配環保防水明膠配方製成碳紙電極,作為可充式鋁電池的正極材料;負極則是在鋁箔上塗一層較環保無毒的PVA;電解液使用2M氯化鋁/0.1M食鹽水/5g醋酸鈉,吸附在濾紙上,成功製作出可充式「炭化稻殼紙/鋁電池」,充放電循環3次後,放電的初始開路電壓最高可達1.296V,初始短路電流可達137.1mA,串聯兩個電池後,成功使LED燈發光持續至少72天,亦可推動風扇在約4mA的工作電流下維持215分鐘。本作品多使用食品級的環保材料,較以往作品具有低汙染、低成本、超輕薄、可充電、可彎曲等多項優勢,充電後的穩定性更優於市售石墨片電極,可連續充放電至少5次,在進行穿刺實驗後更證實其安全性較鋰電池高,期待能為大型儲能系統添加一股永續環保的新契機。

SDGs小尖兵~AI照護生態植栽塔

本研究嘗試自製生態植栽塔及噴水裝置,以文氏管建置氣水循環魚菜共生系統,使用GAI協助Coding,讓AI照護植物。研究發現:可使用毛細載體照護水耕植物,番茄和馬鈴薯根部成長佳,馬鈴薯蒸散作用明顯。木製學生座椅可製作具穩定性及封閉性的生態植栽塔。馬達功率增加1w,出水高度約增加1cm,二種馬達功率的噴水距離、出水量、濕度及保濕度差異小,但25w功率的植栽塔水循環狀況佳。噴頭旋轉300∘~ 600∘可調出水量。將沉水馬達(6w、15w)連接水管及文氏管抽水可帶入17 ml/sec ~22.7ml/sec氣體流量,是穩定循環的魚菜共生系統。GAI生成程式碼及microbit開發板+iot擴充板的「AI照護生態植栽塔」,可應用於食農教育,在節能及自動化省人力的雙重功效下,實現SDGs促進永續農業的目標。