全國中小學科展

2012年

不對稱之美---大葉桃花心木種子飛行軌跡的分析

大葉桃花心木的種子是單翅種子,經測試發現它的結構有降低終端速度及飄移過程具方向性提高種子分佈間距的特性,研究結果顯示: 1.飛行軌跡可分成五個時期:自由落體期、減速期、緩飛期、加速期及終端速度期。 2.種子旋轉飛行軌跡的前進比(advance ratio)屬於推進效率

薑黃素的特性及其在生活上之應用研究

本研究在探討薑黃、南薑、野薑及一般薑等所含薑黃素的抑菌與抗氧化作用特性,及其在生活及教學上之應用。研究發現:(1)抑菌能力排序:以薑黃最強;一般薑次之;南薑、野薑微弱。(2)抗氧化作用仍以薑黃最為明顯,其餘不顯著。(3)在生活上之應用方面,薑黃素用於檢測水質及食品中是否含硼砂,可明確檢出含硼量;薑黃素所含的天然色素,可用於布料之染色及食品用色素添加劑,亦可用於製造薑黃手工皂,對人體皮膚有益處。(4)在化學實驗上,薑黃素製成薑黃試劑,可做為酸鹼指示劑,另可檢驗一般居家物質之酸鹼性。由以上實驗結果可知薑黃素應用甚為廣泛且深具利用價值。

與波共舞的飄浮水滴

一顆純水水滴落在水面上通常會立刻與水面結合,但當液滴以固定高度朝向有界面活性劑的液面釋放時,這顆水滴會較在沒有添加界面活性劑的水面上時生存更久。根據統計結果,不同釋放高度和界面活性劑的有無及水滴大小均會影響水滴的生存期。當液面垂直振動或是被風吹動時,因為水滴和液面之間的氣墊會不斷地被更新,結合的時間可以被延長。當液面垂直振動時,可觀察到漂浮水滴在液面上產生上下振動、在2點間來回運動(束縛)、行進、跳動等運動行為,在運動期間水滴本身也會伴隨著振盪變形。當水滴在振動液面產生行進所對應的加速度門檻值,在特定頻率下會出現極小值,此時水滴與水浴會形成共振現象。當兩顆漂浮液滴在垂直振動的液面互相靠近時,除了會有結合、彈開的現象外,兩者間也會產生互繞質心轉動及排斥的現象。漂浮水滴在振動液面上的多種運動現象很類似Couder’s團隊針對在油面上跳動油滴(walker)所做的研究,但兩者間仍然存在著差異。

別再用拖鞋打小強了!MRSA超級細菌的剋星在小強的腸道中

從美洲蜚蠊的消化道分離出的一株Bacillus屬細菌,暫且稱之為Bacillus cockroach,能產生抗生素,對革蘭氏陽性細菌有較強的抑制作用,對革蘭氏陰性細菌的抑制作用則較弱。此抗生素對Staphylococcus屬細菌的抑制尤其明顯,甚至能抑制37株也能抗褐黴素(fusidic acid)的多重抗藥性金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA)臨床分離株。以100 ml之Luria-Bertani(LB)培養基培養B. cockroach,生長在培養3.5小時後進入靜止期,於第23小時開始產生抗生素,培養第28小時所取得之離心過濾菌液於第28小時達到最高峰,然後逐漸下降,至第40小時完全消失。若在培養至第20小時添加20 ml LB,離心過濾菌液出現抑菌活性高峰的時間大致不變,但抑菌活性增強,活性消失的時間也延至培養48小時之後。將抑菌活性最強的離心過濾菌液稀釋50倍之後,仍然有明顯可見的抑菌作用;而有抑菌活性的離心過濾菌液以100 0C加熱10分鐘,活性不受影響,以滅菌釜加熱5分鐘則仍可保有70%以上的活性;而以蛋白質分解酶proteinase K處理1小時之後也仍然保有抑菌活性。因此B. cockroach產生的抗生素是否為胜肽類仍待確定。以離心過濾菌液處理S. aureus的實驗結果則顯示B. cockroach產生的抗生物質能殺死S. aureus,而非只是抑制其生長而已。

對平面結構的石墨烯修飾並應用於直接甲醇燃料電池

此研究希望找到適當的材料和製備方式,提升直接甲醇燃料電池 (DMFC)的工 作效能。 使用石墨烯為基材,將純度99.999%的石墨在高溫下以過錳酸鉀進行氧化,經 剝離後得片狀級氧化石墨烯(GO),然後以氯鉑酸(H2PtCl6)提供正四價的鉑(Pt),還原 在此樣品上成零價鉑金屬做為催化劑的使用。使此樣品(G-Pt)於三電極系統下進行循 環伏安法,分別對硫酸與甲醇進行催化量測此新型材料的氧化電位。對硫酸進行催 化,可得氫的脫附面積;對甲醇進行催化,則是觀察此新型材料的運用成效之優劣。 本實驗進一步於氧化石墨烯(GO)加入苯甲醯氯(Benzoyl chloride)做修飾,合成經 氧化修飾的石墨烯(GO-B),同樣地還原觸媒鉑在此材料上(G-B-Pt)。經電化學分析 後比較是否因修飾後接上苯甲醯氯而有比較好的性能表現。 結果發現,經苯甲醯氯修飾的材料,氫的脫附及甲醇的氧化電位數值表現上高 於未修飾者,說明在三電極系統下,本實驗加入的修飾藥品有助於提升直接甲醇燃 料電池的工作效能,將來可被運用於燃料電池上。

環境友善方法: 用牛糞吸附重金屬並製作成觸媒

有毒重金屬是一個全球矚目的環境污染問題,為了解決這問題,人們常使用沈澱法和螯合劑兩種主要化學手段來吸附重金屬物質,這些方法的缺點是在某些情況下(如:酸雨),重金屬可能會再溶出污染環境。本研究旨在提出一個低成本且環境友善,能整治重金屬污染的新方法,使用牛糞來吸附重金屬離子,再將此已經吸附重金屬的牛糞回收製成觸媒。研究發現摘要如下: (1).磷酸鹽適合作為吸附劑,以穩定重金屬離子。 (2).發酵處理的牛糞由於微生物分解有機質,使成分中磷酸鹽含量變高,牛糞磷酸鹽愈高吸附重金屬離子的效果愈好。 (3).牛糞置於Cu2+、Ni2+水溶液,能有效吸附Cu2+、Ni2+離子,在應用上可預防重金屬污染地下水源。 (4).模擬土壤淋融的實驗中,超過99%的金屬離子可被牛糞固定於土壤中。 (5).回收吸附的重金屬離子牛糞,製作成活性碳觸媒,可進行脫色實驗,達到回收利用的目的。

果蠅單眼的發育調控基因之篩選

在果蠅成蟲的頭頂上方三顆可以感光的單眼(ocelli),其構造和複眼有顯著的差異,但單眼及複眼在果蠅幼蟲時期,皆從一片特別的組織eye-antenna disc發育而來。而且目前已知會表現在單眼的一些特定基因,也是會調控複眼發育的基因,如sine oculis (so),eyes absent (eya) 等。但到底是哪些特定的基因決定了單眼與複眼的差異,目前並不是很清楚,因此我想探討果蠅單眼細胞在發育過程中,有哪些特定的基因會調控果蠅單眼的生成與變化。 本實驗主要是利用果蠅研究上常使用的基因表現系統(UAS-GAL4 system)進行研究,我們挑選許多和複眼發育相關的基因、胚胎生長發育相關基因進行表現,觀察其單眼性狀有無變化,篩選出會影響單眼發育的相關基因後,再進一步研究此基因的可能作用機制。 從實驗的結果中發現當表現ras及Egfr的顯性抑制型 (rasDN, EgfrDN)時,在掃描式電子顯微鏡下可觀察到三顆單眼會明顯變小。而在幼蟲時期的eye-antenna disc,利用免疫螢光染色以及雷射共軛焦顯微鏡觀察到當表現rasDN、EgfrDN時, 單眼標記基因(marker gene) Eyes absent (Eya)表現的強度顯著降低。再加上已知ras為Egfr的下游基因,綜合這些結果,我們認為Egfr-Ras 以及其下游基因的訊號傳遞對於單眼發育是很重要的。 另外在視網膜電流圖(electroretinogram)的實驗當中,發現Egfr, ras訊息傳遞被抑制的果蠅單眼在對光線刺激的反應強度比起正常的果蠅下降許多,因此可推論Egfr, ras的訊息傳遞不僅會影響單眼的發育,也會影響單眼的正常感光的功能。

以重力驅動之微流道細胞分離器

本研究利用一種不需藉外加幫浦,以重力驅動即可自行使液體流且形成層流的系統。因微道尺寸夠小,足以形成層流,再由中入口、出口儲液槽的高度差、毛細現象以及表面張力,驅動流道中的液體、形成流速穩定的層流。由層流的性質得知,死菌只能隨流層前進,而因活菌有運動能力,能自分布於系統中,如此便可將死亡及活力較差的大腸桿菌從中分離,並探討各種影響細菌分離的機制。

液滴撞擊固體表面時的傳播現象

在這份報告中,藉由高速攝影機,我們可以更清楚地觀察到液滴在撞擊固體表面瞬間的形變現象。分析以不同的液滴、不同的撞擊表面、不同的瞬間撞擊速率以及不同溫度的金屬表面,並探討在不同的條件下,韋伯常數(Weber Number)與水滴散開之間的關聯。實驗結果顯示,當表面張力與密度比值大,或當液滴速度快時,液滴形變越明顯,但其形變量有一最大值,而其薄水層傳播速度會隨時間增加而減少,但其環狀波在彈回時幾乎是呈等速度的彈回。若是液體表面張力較撞擊面附著力大者,或撞擊面溫度超過攝氏400度時,在其薄水層達到最大直徑時,便會向內收縮,形成一顆水珠。

影像式條碼辨識系統

以隨手可得拍攝影像的工具(如智慧型手機、個人數位助理、網路攝影機等)及網際網路的便利性,讓使用者能隨時透過書籍條碼影像向遠端資料庫查詢書籍的相關訊息。本研究以「ISBN書籍條碼」為例,經過條碼影像的擷取、偵測並分割出影像中的條碼、歪斜校正以及辨識後,透過網際網路,從ISBN書籍資料庫中查詢出該書籍的相關資訊,讓我們體驗行動通訊科技所帶來的便利。在程式的實作上,除了使用現有影像處理技術中的霍夫轉換與邊緣偵測外,也搭配上自行設計的變化量分配圖,使得ISBN條碼的辨識能力大為提升。此外,為了將使用者查詢時等待回應的時間降至最低,採用了記憶體直接存取的方法來處理影像外,也針對程式執行時的瓶頸部分,以平行處理的機制來加速,經過在Intel i5 M560四核心處理器上的實際測試,一幅900×675像素的影像,平均只要花費1.08秒即可辨識出ISBN條碼,相當的迅速。