全國中小學科展

2024年

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。

所有可拼出的正三角形之達成性

給定三種大小不同的正三角形,邊長由大至小分別為正整數a、b、c,在每種三角形皆需使用的情況下,去拼出邊長為正整數的正三角形。眾所周知,「找到所有可以被拼出的正三角形邊長。」這個問題是困難的,原因是正整數有無窮多個,且可行的拼法非常多種。故本文欲探討的問題為:「尋找a、b、c的條件,使得無法被拼出的正三角形之正整數邊長個數僅有有限個。」 我們估算無法被拼出的最大正整數邊長,並為所有大於此數的正整數邊長,分門別類地創建合適的拼法,解答了上述問題。

探討「互相牽制」中整除問題的整數解

在這篇作品中,探討科學研習月刊中森棚教官的數學題-「互相牽制」的整除問題,此問題是指「你可以找到多少組正整數對(x, y),讓x的平方減5為y的倍數且y的平方減5為x的倍數?」。我們除了探討原問題之外,也探討將5改為任意整數 l 的情況,我們要刻畫滿足 y | x2- l 且 x | y2- l 的所有整數解(x, y)。 首先建構生成另一組整數解的方法且推導出在 (x2+y2-l) / xy 為整數的條件下生成另一組整數解的方法。在 (x2+y2-l) /xy 為整數的條件下,可利用二階齊次線性遞迴數列及二次曲線刻畫滿足 y | x2 - l 且 x | y2- l 的所有整數解(x, y)。當上述條件不成立時,利用二次曲線試圖刻畫滿足 y | x2 且 x | y2 的所有整數解(x, y),進一步推導出在特定條件下,可利用二次曲線刻畫滿足 y | x2且 x | y2的所有整數解(x, y)。

利用碳化含鐵金屬有機架構物進行廢水中金之選擇性回收

本研究旨在利用碳化含鐵金屬有機架構物回收廢棄印刷電路板廢水中的液相金,使用含鐵金屬有機架構物做為吸附劑基材,以不同溫度碳化提升材料對金回收性及金吸附選擇性, 並針對吸附劑材料進行物化特性分析。首先,利用六水合氯化鐵 (FeCl3‧6H2O) 與 2-氨基對苯二甲酸 (2-Aminoterephthalic Acid) 合成 NH2-MIL101(Fe), 並將其碳化後得到 C-NH2- MIL101(Fe) 材料。於金吸附測試中發現 C800-NH2-MIL101(Fe) 對液相金吸附效果優於NH2-MIL101(Fe) 與其他溫度之 C-NH2-MIL101(Fe)。此外, C800-NH2-MIL101(Fe) 在同時具有其他液相金屬的溶液中選擇性吸附能力明顯高於 NH2-MIL101(Fe)。材料之物化特性方面, 於 BET 分析發現 C800-NH2-MIL101(Fe) 的比表面積可達 180.9 (m²/g),說明碳化後可保留原材料特性;由 XPS 分析證實 C800-NH2-MIL101(Fe) 部分鍵結型態改變使其還原能力增強, 證實 C800-NH2-MIL101(Fe) 是具有實際應用潛力的良好吸附劑,可以進一步增量、優化製成並評估商業應用經濟效益。

旋風登台,引領流型—探討西行侵台颱風之流型變化與實驗模擬

為瞭解台灣地形對西行侵台颱風的流型影響,本研究分析 24 個西行颱風於不同經度時的連續流型變化並加以歸納,我們將流型分為 5 群,分別為沿山流型、東側尾流總型、登陸流型、過山後流型、以及阻擋流型,且又分為 13 次分類,並將各種流型發生時的颱風中心位置以地圖標示之。我們發現,相似路徑的颱風會有相似的流型變化。 為了進一步探討氣流在地形作用下的變化,及造成的邊界層現象,我們開發出氣流場裝置並搭配保麗龍沙作為介質進行模擬,以雷射光分層掃描觀察不同高度的氣流走向,發現低層輻合旋入、高層輻散旋出的現象,此結果非常接近真實的颱風結構。我們也以台灣形障礙物觀察滯留、尾流、輻合及背風旋生等現象,獲得與實際颱風案例一致的結果。

Establishment of a bacteria-based delivery approach in regulating mosquito development as a novel vector control strategy

登革熱是由埃及斑蚊傳播的疾病。近年其分布範圍不斷擴大,造成數百萬人死亡。病媒蚊控制對於防止疾病傳播至關重要,但目前尚無安全有效的疫苗以及治療藥物,過量倚賴殺蟲劑又造成病媒蚊抗藥性與環境問題,因此開發新型替代方案是當務之急。 本研究完成了一種 RNAi 新型殺蟲劑。以埃及斑蚊體內的 ADAM12d 作為標靶,由 qRT-PCR 評估,採用 RNAi 干擾的方式進行研究。經基因選殖後透過細菌載體,大量複製出 dsRNA,投放至埃及斑蚊二齡幼蟲的生活水域,抑制ADAM12d 表現。 結果顯示此 RNAi 殺蟲劑在發育過程使幼蟲出現蛻皮異常、生長緩慢、死亡率增加,達到減少病媒蚊的繁殖與孳生。亦已著手於實作層面研究。本研究結果將有助於確定 ADAM12d 的生物功能,也成功以 ADAM12d 基因作為一種新型的生物防治法。此 RNAi 的方式不會連帶殺死其他蚊蟲,也是完全針對有害病媒蚊蟲的,符合現行生態需求,有望成為有效新型藥物。

可同時用於霧水收集與風力發電的石墨烯仿生陣列魔毯

受到地區限制,偏遠地區一直面臨著缺水和缺電的問題。有許多解決方案,其中一個被視為在乾燥地區收集水的有效方法是薄膜霧氣收集技術。這項研究受到自然界沙漠甲蟲的啟發。我們在不吸水的石墨烯/PVDF基底上使用仿生的幾丁聚醣陣列,幫助水滴在霧氣中凝結和滾動脫落,使水收集效率達到0.63LMH。此外,我們使用石墨烯和離子液體一起誘導PVDF晶型自組裝成具壓電性的β相,獲得最適化薄膜的電壓輸出可達到13V(±6.5V)。我們還對於薄膜進行同時取水和取電的可行性評估,結果顯示,在4m/s的霧氣風速下,水收集效率為0.74LMH,發電功率為99.2mW/m2。基於上述研究結果,我們證實了使用單一薄膜利用霧和風作為驅動力,可實現同時產生水和電,這對解決偏遠地區的缺水與缺電問題提供了新的解決方案。

論屏東地區午後對流雨與氣象要素之關係

屏東地區是台灣重要的農業產區,盛產鳳梨、芒果等多種水果,而瞬時的強降雨經常造成農業損失,甚至造成土石流或山崩。本研究中主要探討屏東地區四個氣象站在有無午時對流雨事件時,其對流雨與氣象要素相關性。首先我們分析屏東地區午後對流雨與氣象要素的時序分布,發現有無對流雨事件時並無太大差異性。接著分別探討氣象要素在有無午後對流雨事件前頻率及條件機率之逐時變化。根據結果,發現如果 1)實際水氣壓大於 22.5hPa,2)相對濕度介於 55%至 75%,3)風向轉向西南風、北風、或東北風,則發生對流雨的機率會增加。推測上述參數可能與太陽熱力效應及夏季西南季風有高度相關。未來將各氣象要素進行權重的分析,以期找出一合理模式,進而預估降雨發生。

無限棋盤上的各種騎士

騎士巡遊是一個著名的圖論問題,指的是給定一特定大小的棋盤,讓騎士透過日字型移動看是否能不重複的通過每一個點,若最後回到原點,則稱為哈密頓迴圈(閉循環),若否,則為哈密頓路徑(開循環)。而這兩種問題前人都已經研究出了成立條件,因此我決定研究當騎士不再透過日字型的移動會發生什麼事,並探討能否透過特定移動方式,讓騎士能夠在無限大的棋盤上,不重複的通過每個格子點形成開循環。 而我的想法是先透過尋找騎士能走出來的單位圖形(矩形等能夠拼接成無限大平面的圖案),如此,我的目標是著重在找出他們的單位圖形並想辦法拼接。

Experimental Study on Optimal CADR Filter Thickness of Air Purifiers

美國環保署指出美國民眾 90%的時間待在室內,人們常用空氣清淨機改善不良的室內空氣品質,所以空氣清淨機效能對於健康影響至關重要。市面空氣清淨機常宣稱使用 HEPA濾材,但其厚度未必是理想的乾淨空氣輸送率(CADR)。目前僅有最佳CADR濾材厚度的理論,尚未有實驗資料佐證。本研究以實驗方式研析濾材厚度與最佳 CADR 厚度之關係。實驗使用自製空氣清淨機含離心風扇和不同厚度之濾材,測試四種濾材品牌及四種風扇功率,以 SMPS 測量上游及下游顆粒濃度來判定過濾效率,用單通法計算 CADR。結果顯示,隨著濾材厚度增加過濾效率與CADR 提升,但超過最佳濾材厚度後,厚度增加反而造成 CADR 降低。最佳 CADR 濾材厚度約出現在 0.1 微米顆粒有約 20-40%過濾效率時。若以最易穿透粒徑為參考點,則過濾效率約在 10- 30%。欲發揮空氣清淨機最大效益並延長使用期限,濾材厚度應約略小於最佳 CADR 濾材厚度。