全國中小學科展

臺灣

水中的奇妙力量探秘 沃辛頓射流

我們以實驗室及生活上容易取得的重物與乒乓球模擬網路上跳水彈射手中球體的沃辛頓射流實驗。結果發現以圓形的類天然海棉托住乒乓球丟入水中可成功產生射流,因此選擇此為托球的載體進行實驗。依據我們的實驗結果,至少需要15公分水深才能形成完整的射流彈射出乒乓球,原則上在下落軌跡完全垂直於水面時,落下高度越高,球體彈射高度越高,實際實驗水深15公分以上時,落下高度50公分彈射高度約可達47公分,但結果受限於托球的海綿在落下高度40公分後下落軌跡不穩定,若期望更高的射流強度需要尋找更穩定下落的載體。最後我們將實驗影片逐格分析計算,證實球體彈射過程是一個反覆受到重力及空氣阻力等因素影響降速,又受到下方射流水柱力量推擠而加速的過程,初步建立以乒乓球標示射流噴射過程運動模式的邏輯。

羽轉綠肥-自製肥料對蔬果生長的影響

羽毛廢棄物是畜產類廢棄物排名第二大宗,為了提高廢棄羽毛的實用價值與效益,我們利用啤酒酵母菌進行雞羽毛分解。經啤酒酵母分解一個月後的雞毛液肥,含有胺基酸濃度約為0.17 M,是市售肥組的5.67倍。以雞毛液肥灌溉高經濟價值的彩椒及福山萵苣,彩椒果實總質量比市售肥組高出84.6%,果實中含有葡萄糖濃度為23.8%,比市售肥組多出49.7%。碘量法的抗氧化能力試驗中,發現雞毛液肥灌溉的彩椒抗氧化能力比市售肥組高出91.3 %。清除DPPH自由基的能力實驗中,雞毛液肥組的彩椒果實汁液清除自由基能力約是市售肥組的2.82倍。雞毛液肥灌溉的福山萵苣的葉片總質量比市售肥組多出116.2%。可以發現啤酒酵母分解的雞毛液肥,確實可取代市售肥料,當作彩椒及福山萵苣的養分。希望藉此研究能將廢棄雞毛再利用,減少環境負擔,讓農業永續發展。

離子風暴機

本研究開發之特斯拉線圈驅動的空氣清淨機單顆成本為3199元,而雙顆成本6269元,相較市售高價且僅能過濾污染物的清淨機,我們的技術透過高能電場與負離子,主動殺滅細菌與病毒,有效破壞病原體結構,降低其存活率,特別適用於醫療環境如急診、病房與實驗室,可降低交叉感染風險。實驗顯示,特斯拉線圈產生等離子體能使懸浮微粒帶電,促進凝聚與沉降,顯著改善空氣品質。研究亦指出,臭氧生成需透過參數調整以確保安全性。整體而言,本技術具低成本、高效能優勢,未來可結合其他淨化手段,提升使用穩定性與長效安全性。

探討候選基因對角質層與氣孔發育的調控之影響

植物進化成陸生植物的過程中,氣孔和角質層是關鍵特徵。氣孔由保衛細胞調控,負責二氧化碳進入和水分蒸發;角質層則保護植物免受水分流失及環境壓力。調控這些特徵的基因尚不明確。本研究利用全基因組關聯分析(GWAS)探討阿拉伯芥的角質層和氣孔發育。GWAS結果顯示,與角質層厚度相關的基因位於第二條染色體,而與二氧化碳吸收效率相關的基因位於第五條染色體。氣孔導度和水分吸收效率的調控基因可能在第一、三、四條染色體上。角質層變薄時,氣孔密度下降,導致氣孔導度和水分蒸散率上升;而當角質層通透性增加到一定程度時,二氧化碳固定效率達飽和。此外,透過反向遺傳學篩選候選基因,研究特定基因對角質層合成及光合作用效率的影響。突變株分析顯示,抑制控制角質層或氣孔的基因會促進另一性狀的表現,未來可進一步探討自然族群中相關基因的功能。

神經胜肽Urocortin對微膠細胞抗發炎、吞噬的作用

腦溢血是由於腦血管的破裂出血所致的嚴重醫療事件,雖能以開顱手術降低原發性腦損傷所致的物理傷害,但尚無特效藥能改善患者手術預後。本研究旨在開發腦溢血治療的新療法。藉由紅血球與微膠細胞(BV-2 Cell Line)的離體實驗模擬腦溢血病患殘留於腦中的血腫塊與微膠細胞在腦部的吞噬情形,探討神經胜肽 Urocortin (UCN)的清除血腫塊的療效。以螢光標籤的方式確認微膠細胞的紅血球吞噬作用,分析 UCN 對微膠細胞吞噬紅血球的量值 (Phagocytosis Index)、及發炎(M1)/抗發炎(M2)的基因變化(RT-qPCR),發現 UCN 能有效增強微膠細胞的吞噬能力,同時亦能調控其 M1/M2 的作用。期望此研究結果能有助於了解 UCN 清除腦血腫塊的作用,作為開發腦溢血新療法的參考依據。

微波輔助加熱法於製備鈷摻雜氧化鋅奈米結構於光催化分解水產生氫氣之研究

本研究透過微波輔助加熱法合成Co摻雜於ZnO之粉體,並嘗試改變犧牲試劑種類及濃度,以探討最佳產氫效率的比例。研究結果顯示,以0.1g乙酸鈷摻雜於ZnO,且使用0.1Na2S做犧牲試劑,其產氫效率較未摻雜者高出一倍以上。另以SEM、XRD與BET儀器分析,顯示Co成功進入晶格,材料表面形成更緻密的網狀結構,且比表面積增加為原始的三倍,因此能帶來更高的產氫效率。未來期待能使氫能源的製備往永續能源方向再邁進一步。

應用機器學習與遙感指數於紅樹林植物分類與碳匯分析

本研究應用遙感技術和機器學習方法,提出了三個創新應用,目的在提升紅樹林生態系統的分類監測和藍碳儲量評估。 首先,建立機器學習模型(隨機森林演算法),對紅樹林植物進行自動分類,分類準確率達94.74%。此模型能夠應用於特定區域的長期監測,捕捉紅樹林覆蓋範圍和植物變化的動態趨勢。並且開發了RGBN(Red-Green-Blue-NIR Mangrove Index)遙感指數,此指數主要結合可見光波段和近紅外波段,能有效提升了紅樹林植被健康狀況評估的準確度,並具有廣泛的區域適用性,不限於特定研究區域,適用於全球範圍的紅樹林監測。最後,本研究成功整合並編寫了InVEST模型的程式碼,本模型進一步應用於紅樹林藍碳價值評估,未來將透過收集詳細的土地利用、碳匯數據及生物物理參數,量化紅樹林的藍碳價值,為碳交易與藍碳管理提供科學依據。

探討手性有機硒催化劑合成與性質

研究指出⼿性有機硫催化劑能催化反應合成出⾼立體選擇性的產物,並有相關的研究指出以同族的硒取代⽽成的催化劑也有類似的性質,我們好奇兩者之間催化能⼒的差異處。本研究探討⼿性有機硒催化劑THSeOBn的合成,並將其應用催化形成氮環丙烷化物及環氧化物以探討其性質。本研究發現相較⼿性有機硫催化劑THTOBn催化,其催化形成氮環丙烷反應的dr 值及反應速率皆有顯著的上升,但其催化形成環氧化物的反應儘管反應速率有上升,但是dr值卻下降。最後本研究提出了關於THSeOBn催化形成氮環丙烷及環氧化物的反應機構。

開發影像辨識系統應用於離岸流偵測預警

離岸流是海灘安全的重大隱患,台灣有30處海岸經衛星拍攝到離岸流。其發生時間和地點不定,且會迅速將人帶離岸邊,最遠約100公尺。民眾常因掙扎而體力不支,導致溺斃。為減少此類事故,本研究開發了一套離岸流偵測預警系統,構建出準確度超過95%的辨識模型。 因台灣無離岸流圖庫,本研究除國外圖庫,也加入台灣GoOcean等平台的即時影像,以貼合台灣實際狀況。經影像前處理後,共約四萬張圖片和五十部影片用於訓練YOLO v8模型。當偵測到離岸流,即時透過Discord發送警報至救難中心。我們也加入人形辨識功能,若系統同時偵測到人與離岸流,則加強警戒等級,從而提升救援效率。 完成離岸流辨識系統後,我們著手開發預警功能。將辨識模型應用於各地監視器,蒐集更多離岸流資料,再先後使用YOLO v8和Transformer提取生成特徵,預測其發生,以達成預警的功能。

藍已去除–探討二氧化鈦奈米線在不同製程下對亞甲藍的降解效果

本研究是探討將 P25 二氧化鈦改質二氧化鈦奈米線,其製程在可見光照射下對亞甲藍的光降解效果(10mg 奈米線降解 20ppm、15mL 之亞甲藍溶液)。首先我們在五種不同水熱溫度中找出最佳的製程溫度,接著以不同的水熱時間找出最佳製程時間,最後我們發現以TiO2/180℃/18hr 為最佳二氧化鈦奈米線製程條件,在可見光照射下降解率達 41.7%。接著以此二氧化鈦奈米線作為載體,添加 1.0%的銅、銀、鐵,發現添加銀可有效提高其降解率達60.4%。最後以銀作為固定添加金屬,改變濃度製作觸媒,發現以 1.0%的銀為最佳製程條件,降解率為 60.4%。另外我們對觸媒進行 XRD、SEM、PL、氫氧自由基檢測、BET、DRS 分析、觸媒回收率、二次降解及日光降解之效果。我們發現觸媒回收率可達 94.2%,二次降解效率可達 99.0%與 94.0%。