全國中小學科展

2025年

創神星緻密行星環成因探討

本研究旨在探討洛希極限理論的例外:創神星(Quaoar)的行星環。穩定的行星環在一般情況下形成於洛希極限內,然而創神星的行星環卻穩定存在於洛希極限外。 因此,我們的研究目的為解釋為何創神星環能夠存在於洛希極限外。專注於探討密度、剛體與流體性質等因素對行星環的影響、軌道共振的原理與比較其他環系統案例,最終利用力圖分析與比較相似環系統以推論行星環穩定之原因。 根據我們的研究,我們認為創神星環是受創衛一(Weywot)引力作用影響,軌道共振拉開了環粒子之間的距離,以至於在洛希極限外無法匯聚成衛星。 透過對影響洛希極限和行星環形成的因素深入研究,期望能夠揭示創神星環的形成和穩定性背後的物理機制,進而拓展對行星環形成和天體力學的理解。 此外,冀望本研究能為未來對於其他類似例外情況的行星環提供參考。

攜帶型高效率氫能離子能雙輸出埠電力裝置 Dual-ports high hydrogen and ionic conversion efficient power generator

本研究以空氣為催化劑,降低KOH在水中解離成K+及OH- 的解離能,大幅提升KOH在水中解離的效率,配合以鋁板為電極,還原H2O及OH-,釋出氫氣H2。這還原反應過程同時輸出K+及H2為電力能源。利用解離出的K+組裝成鉀離子電池,同時以解離出的氫氣運作燃料電池,組成雙輸出埠電力裝置。本雙輸出埠電力裝置,可以分別利用KOH濃度及或空氣輸入量,來調控輸出功率。KOH濃度增加或空氣輸入量增加,均可提高兩輸出埠的功率。測試時採用KOH濃度為5M,輸出電壓達0.19 mV,電流達0.166 mA。採用摻雜0.3%鉍的鋁為電極板,提升輸出電壓達0.67 mV,電流達0.199 mA。在鉀離子電池2MKOH水溶液中串聯4組電極板,電壓提升至2.9 V,電流達5A,並能成功點亮LED燈及驅動市售燃料電池。再經電路板穩壓後,電壓從2.9 V提升至5 V,適合USB充電,顯示出其作為無碳排放電力能源。

線蟲土壤食物網監測模式建立與功能性調節 The Establishment of Nematode Food Web Monitoring Model and Regulation of Soil Functions

為了永續利用土壤生態系服務,本研究分析線蟲族群變化監測土壤食物網,探討線蟲食物網與土壤養分調節相關性,實踐 SDGs中第 2項消除飢餓與第15項陸域生態。首先使用文獻分析法,建構模式觀察線蟲功能群演替,監測線蟲食物網組成評估土壤生態系服務,改善與結合過去僅探討環境干擾方式。觀察線蟲對土壤養分影響,結果顯示線蟲功能群多樣性、族群增長與交互作用 (資源重疊與演替等)可能提升土壤無機氮;不過推測因族群交互作用減弱或微生物過度被捕食,氨化能力在食物網發展初期(六週提升 37%)與後期 (六週僅提升16%)不同,需探討如何延續其氨化能力。將結合植物生長觀察線蟲食物網對植物影響。期望未來新模式進一步評估與標準化,用於監測土壤線蟲食物網組成並調節土壤,在農業管理與生態復育方面做出貢獻,為土壤永續利用提出新的可能。

以智慧型高親水薄膜提升汗液感測靈敏度 Enhancing Sweat Sensing Sensitivity with SmartHydrophilic Thin Films

本研究主要是以晶片和織布進行結合,以電極收集訊號分析受測者的鈉濃度和汗液流量,研發長期保持潤濕和擁有穩定性的高親水性薄膜Polyacrylic acid / Cellulose nanocrystals(PAA / CNC)感測器。製備不同濃度比例的PAA / CNC光固化水凝膠,進行接觸角、FTIR圖譜、溶脹比 (Swelling Ratio)、SEM、EIS 潤濕面積分析並比較選擇出PAA /10 CNC的濃度比例作為最佳的汗液感測電極。利用CNC與PET片間貼合度強化結果,能有效提升薄膜親水性,降低電極與織布中的親疏水性差異,加強電極感測靈敏度,相較於對照組,電容值結果顯示約提升5~10倍的靈敏度。本研究開發一個靈敏且穩定即時監測汗液的薄膜,並結合藍芽應用於智慧裝置。

柔性光柵其光學特性與力學分析之研究 The Study of optical properties and stress analyzing of flexible diffraction grating

光柵作為常見的分光元件,應用於許多光學儀器中。然而,傳統光柵彈性較差且硬度較高,限制了其應用範圍。本研究利用具有高彈性和易形變特性的 PDMS 作為柔性光柵的材料,對不同厚度和彎曲程度的光柵進行一系列測試。為了探討厚度和彎曲曲率對繞射效果的影響,進行了不同厚度柔性光柵的繞射點分析實驗。實驗結果顯示,增加柔性光柵的厚度會提升其彎曲時第一亮紋的變化率;相反,減少厚度則會降低該變化率。隨後的研究進一步探討不同施力方式是否會影響柔性光柵的分光效果。通過拉伸和壓縮光柵,發現拉伸會使光柵的軌距變大,而壓縮則會使軌距變小。此外,研究還探討了利用 PDMS 複製類似光柵的結構是否具有分光效果。實驗結果顯示,複製的指紋確實展現了類似特性,期望未來能夠將這些特性實際應用於相關領域。

DIVE&CLEAN - Intervention Possible

The DIVE&CLEAN project is an educational and innovative initiative aimed at addressing a significant environmental challenge: marine pollution. With oceans covering over 70% of the Earth’s surface and providing a home to 50–80% of life on the planet, their health is critical. However, marine ecosystems are under threat due to plastic pollution, which impacts wildlife, coastal communities, and global biodiversity. This project centers around the idea of introducing underwater trash bins, especially in areas frequented by recreational divers. While most divers explore the seas without specific tools to collect trash, they could contribute significantly with the right infrastructure. The vision of DIVE&CLEAN is to inspire behavioral change, encourage collaboration, and promote actionable solutions to reduce ocean pollution. Using interactive robotics and storytelling, the project tells the story of divers rescuing animals entangled in plastic and collecting trash from the ocean floor using underwater bins. Through creative performances, it seeks to educate and motivate individuals, resorts, and authorities to adopt sustainable practices.

Sound Direction Assist Device for Patients with Single-Sided Deafness Caused by Acoustic Neuroma

本研究專為因聽覺神經腫瘤手術造成單側聽力喪失(Single-Sided Deafness, SSD)的聽損患者設計了一款辨別聲音方位的輔助裝置。SSD患者因為有一側的聽力完全喪失,因此現有的助聽器無法提供有效的協助。 本研究採納各式麥克風電路的優點,設計出一款麥克風模組來接收聲音。並藉由帽子周圍的六個麥克風模組形成陣列。利用頭影效應所帶來的差異,運算出聲音的方位,並且透過馬達震動來提醒使用者聲音的方位。本作品延續並參考了之前的作品[一] [二]並經過改良,經過實驗後發現,本裝置可以偵測到以使用者為圓心半徑23公尺左右、76分貝的聲音,偵測距離約為之前作品的2.3倍,可以為使用者提供3到6秒的反應時間。希望可以藉由這種方式,讓SSD的聽損患者更安心地走在路上。

「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。

一價銠金屬催化肉桂胺衍生物進行不對稱氫芳基化反應 Rhodium(I)-Catalyzed Asymmetric Hydroarylation of Cinnamylamine Derivatives

一價銠金屬催化反應已經被廣泛應用於有機化學合成領域中。而本研究以具保護基之肉桂胺衍生物1與四芳基硼鈉試劑2a作為起始物進行銠金屬不對稱氫芳基化催化反應,得到具有保護基的掌性2,3-雙芳基丙胺衍生物3,並探討此反應的掌性雙烯配基對於反應的影響。本研究已完成使用Ts(對甲苯磺醯基)保護基之肉桂胺衍生物1a作為起始物進行反應,並改變與銠金屬錯合的配基,發現當配基使用2,5號位為芳基取代之配基L(掌性雙環[2,2,1]雙烯配基)時,反應有較好的位置選擇性,其中最佳的是芳基取代為苯基之配基L1,其位置選擇性比例為1:0:0.09。目前將進行改變起始物1之氮上的保護基,以L1作為配基進行反應,並與1a比較,優化反應性及產率。

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。