全國中小學科展

2025年

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。

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。

「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。

混沌雷達感測與循環 神經網路之研究

本研究專題利用混沌電路所產生的信號來實現混沌雷達偵測物體的距離,在實作上面,使用運算放大器、電阻、電感及電容來實現蔡氏電路,並證明可用其混沌狀態發生的紊亂振盪來產生混沌雷達所需的信號,其產生的電壓信號,經由數位儲存示波器取出資料再加上軟體MATLAB的資料處理及信號分析,並使用了類神經網路中的循環神經網路,嘗試回復電路的設計參數,可證實蔡氏電路所產生的混沌信號,用於雷達信號的偵測不容易被破解、干擾且具有高度的安全性,未來極具發展潛力。

The Effects of Background Color on Color Preference 探討不同背景顏色對色彩偏好的影響

色彩偏好影響生活的許多決策,對於背景對色彩偏好的影響,現行兩個色覺理論(對比理論與生態價理論)有不同的解釋,本研究以高中生為對象,旨在探討背景對色彩偏好影響與支持理論,並提出運用方向。 之前色彩定量方式缺乏對敏感度與視錐細胞的考量,本研究發展以中性灰為基礎對不同色彩的定量方法,並以此進行色彩偏好測試。實驗結果發現:顏色偏好會受到背景影響(支持對比理論),背景對各色彩具不同影響力,偏黃偏綠顏色受背景影響較大;綠色與藍色背景提升偏黃與偏綠之顏色偏好而紅色背景則會下降(支持生態價理論),背景亮度不影響顏色偏好。期望研究結果有助於青少年環境與產品設計配色參考,並對未來背景影響顏色的神經機制研究提供基礎。

培養間葉幹細胞以了解三微環境對形成脂肪過程基因表現的影響

本研究旨在比較人類間葉幹細胞 (human Mesenchymal Stem Cells, hMSCs) 在三維球形微孔和二維平面聚丙烯醯胺 (polyacrylamide, PA) 水凝膠上的生長和分化特性。我們製備了具有60μm直徑球形微孔陣列的PA水凝膠平面PA水凝膠,將hMSCs培養在這兩種不同的基質上,加入藥劑誘導向脂肪細胞分化七天。透過細胞計數、形態學觀察和成像分析,我們系統地比較了細胞在兩種環境下的形態變化、脂大小 和分化進程。再透過RNA-seq分析,我們找出了三維及二維環境培養的細胞的差異表達基因,並做出火山圖與熱圖。 本研究建立一種新型三維球形微孔的培養環境、,成地地 hMSCs提供更接近體內條件的微環境。進一步觀察hMSCs在三維環境中生長與分化,期許 組織工程和再生醫學領域提供新的見解和潛在的應用方向。

潮間帶微生物動態:探索隨機中性與環境因子對細菌與古菌群落演替之影響

本研究探討了潮間帶環境中細菌與古菌的群落結構及其生態功能,並評估了隨機過程與環境因子對群落演替的影響。我們於金門南門海域的潮間帶進行了五次採樣,我們使用次世代定序(Next Generation Sequencing)進行16S rRNA 基因的定序技術分析了該區域微生物的豐度變化及其功能特性。結果顯示,細菌群落以變形菌門為優勢群,而古菌群落則以亞硝侏儒菌科為主。隨機中性模型的結果顯示古菌的豐度顯著受到隨機擴散的影響,而細菌群落則主要由鹽度、溫度和溶解氧等環境因子所驅動。經由Picrust2 代謝路徑預測的結果顯示,古菌與細菌共享多種基本代謝途徑,顯示出它們在生態上的互補性;同時,各自特有的代謝途徑則體現了它們對環境壓力的不同適應方式。本研究為潮間帶微生物群落的動態變化及生態功能提供了新的發現。

複合葡萄糖氧化酶的金奈米團簇應用於葡萄糖檢測

本研究使用牛血清白蛋白(BSA)、穀胱甘肽(GSH)、金離子合成金奈米螢光團簇,並修飾上葡萄糖氧化酶(GOx)。此金奈米團簇上的葡萄糖氧化酶與葡萄糖反應,製造出過氧化氫,改變金奈米螢光團簇表面特性使螢光強度減弱,偵測葡萄糖濃度。 本研究探討不同條件金奈米團簇和不同濃度的葡萄糖反應,知道此材料可檢測到最低濃度的葡萄糖,且金奈米團簇在血液中對葡萄糖具有專一性,可穩定進行血糖檢測。另外,與不同濃度的人體血清樣本反應,發現血清濃度越高的螢光訊號下降明顯,因此可知修飾上葡萄糖氧化酶的穀胱甘肽輔助之牛血清白蛋白金奈米團簇(BSA/GSH-Au NCs)可用於人體血糖檢測。本研究開發出靈敏、快速、穩定的葡萄糖檢測材料,並期待未來能運用於實際的人體血糖檢測上。

禽畜糞堆肥除臭與氨氣資源化

禽畜糞堆肥常伴隨氨氣排放而有異味問題。目前成本低、培養易的木黴菌已廣泛用在堆肥中來加速發酵。此外,部分業者會將含氨臭的氣體蒐集再以稀硫酸水洗,產物硫酸銨可作為氮肥,但多被排棄。本研究結合木黴菌添加與排氣稀硫酸水洗,可縮短堆肥期程,更將氨氣肥料化,以 (1)木黴菌合適添加劑量、(2)稀硫酸水洗參數等二項為試驗主軸。結果顯示:(1)添加2/100木黴菌可使堆肥成品中總氮增加13%,減少氨排放;(2)含氨排氣經pH6-7稀硫酸水洗,98%的氨氣轉化成含約1,400mg/L之硫酸銨溶液,氮含量為300mg/L,相當於沼渣沼液農地施灌水準。

沙盒類遊戲式學習平台系統伺服器架設節能效率研究:以Minecraft為例

本研究以 Minecraft 為例,探討沙盒類遊戲式學習平台系統伺服器架設的節能效率,旨在透過動態調整伺服器數量降低總CPU使用率,提升伺服器的管理效能和能源使用效率。隨著線上遊戲的普及,伺服器的營運管理變得越來越複雜,如何在滿足玩家需求並同時降低能源消耗成為一個重要議題。本研究將分析伺服器資源使用狀況,特別是在玩家活動量高低波動的情境下,透過管理策略的調整,探討其對節能效率的影響。 研究透過實證數據的收集與回歸分析,建立一套可應用於 Minecraft 伺服器的節能動態調整系統,並探討動態調整的具體效率。研究結果發現隨著玩家人數增加,越接近系統負載上限,節能效果會越來越不明顯,以本次研究的伺服器來講玩家人數到達35人以後就無法再減少伺服器數量。