2015年7月23日 星期四

高中科展(一):布朗運動與擴散

        當初進入科學班,最期待的事情之一,就是可以去大學實驗室做專題。聽起來似乎很帥很厲害,但是否真的能有一翻成就還是要看人。當初附中有個很爛的規定,直接分發師大教授給我們選,還強迫要3個人一組,無奈之下我選了師大一個做STM的實驗室,組員也不是對物理有興趣的。不過後來我和實驗室交情很好,組員雖然對物理沒熱忱,但卻很負責任,他們戲稱自己是我們組的廉價勞工。經過我一翻體悟,認為教授應該要自己找,校務評鑑時我也有反應,後來制度就改了。之後,我的專研礙於實驗儀器,我跑去求助中研院物理所,深深覺得中研院的高檔設備果然還是比較好。
        誤打誤撞去了師大傅祖怡老師的實驗室,不過實驗室的STM要留給碩士生使用,所以我們只能想額外的題目,其實這樣很怪,因為這樣就失去去大學實驗室的目的了,不過科學班制度就這樣。後來研究生提議從IYPT(國際物理辯論)的題目中找一題來做,最後我們選擇了「擴散係數」這題來做,題目是問不同的粒子形狀和大小會造成擴散怎樣的改變?簡而言之就是問布朗運動。不得不說在師大待了一年總是做不好,後來我去中研院才發現之前都是做白工,不過有時候就是要拐了一個彎,才豁然開朗,科學研究常常是這樣,只是心中不免感嘆消逝的時光。
        布朗運動是指微小粒子在溶液中會呈現不規則運動,原因是溶液分子會不斷碰撞粒子,造成粒子的隨機運動,而隨著時間推移,隨機運動會使粒子位移的越來越遠。而粒子的大小和形狀會使它動的距離不一樣遠,也就是擴散差異,其中又分為轉動擴散和位移擴散,分別是轉動角度的差異和位移距離的差異。
        第一步是要製造微小粒子,其實可以使用商業的標準膠體粒子,只是師大那時候沒有,所以我們要自己製造,而中研院則是永遠不缺這種東西。由於師大普物實驗在觀測布朗運動時採用的方法可行,我們就直接採用,不然其實也不會知道怎麼去製造粒子。我們製造微小粒子的方式,是將一點點清潔劑和一點點油混在一起,這樣就可以產生一顆一顆的小油脂,而且這種製造方式可以滿足需要大小不同粒子的需求,但製造出的都是圓形,所以不同形狀當時被我們視為難突破的挑戰。
        在顯微鏡下看到粒子之後,卻又產生一個問題,粒子不會動,我到現在還是不明白為甚麼,反正那時候它們就不會動,困擾我們好久,後來過一陣子一直重複製造粒子、觀測,終於會動了。用眼睛看的到之後,就要開始記錄數據,先用相機錄影,再將影片用軟體分析。ImageJTracker都不錯,ImageJ適合用相片疊加起來的錄影,而Tracker適合一般的影片格式,不過中研院老師是用ImageJ,而且ImageJ的外掛比較強大,使用範圍更廣,所以推薦使用ImageJ
        別看上述過程似乎很簡單,也是一番折騰,熬了一年多才終於測出不同大小的粒子的擴散差異。而且那時候以為專研做得很爛,還被研究生罵了一頓,因此也不想報科展了,沒想到在學校也被物理老師訓了一頓,最後我們硬著頭皮寫完科展報告,而內容僅僅只有不同大小的粒子的擴散差異,我們對於這個沒什麼的科展不抱任何希望,沒想到校內科展竟然拿到物理組特優。而我一年後做的第二件科展,我認為做得比這件好,在學校卻只有優等,但第二次校內對手是保送台大資工系的,而我那時還是指考生,學校老師希望我專心考指考吧。
        布朗運動這件科展過了校內之後,就要準備一個月後的台北市科展,而我在這時發現中研院林耿慧老師似乎對布朗運動很有研究,因此就寫信求助,而她人也很好,讓我去中研院繼續完成科展,我也是去了中研院才知道研究設備完善是多麼棒,實驗環境跟師大簡直天壤之別。而我也學會新的技術,也能使用倍率更高的顯微鏡,老師也給我現成的不同形狀粒子,原理是使膠體粒子黏在一起,形成兩顆、三顆、四顆等等聚集在一起的粒子團。而我也在這一個月內完成了不同粒子形狀差異的部分。完成時十分興奮,心想這份研究總算大功告成,覺得台北是科展應該沒問題了。不過後來台北市科展也只拿了佳作而已,而且因為我們在報告時三個人都有開口,就順道拿到團隊合作獎,這個獎的評比方式超不客觀。
        我用這個科展也通過科教館青年培育計畫,不過高三要準備學測,於是沒繼續做下去,研究金也完全沒使用。當初只是覺得又通過一個計劃很厲害,現在回想蠻荒唐的,不如不要報名。不過我卻在青培被教授糾正出數據有問題,仔細檢查的確是,有趣的是台北市科展的評審怎麼都沒發現?

        總而言之,布朗運動算是高中的代表作,不僅校內得獎、北市得獎,TYPT台灣物理辯論賽時也大放異彩,最後還參加了青培。一個專研多種用途,可說是非常超值。經過這個專研,雖然整個歷程曲折,卻學到了非常多,我也充分了解如何做研究,這些經驗在我高三下做第二件科展時助益良多。

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