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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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어제 도출된 설문의 결과와 다양한 학술 자료를 종합하여 탐구활동을 종합해보는 시간을 가졌다. 디지털기술에서 소외되고 있는 인간의 정체성 문제에 관심을 가지고 이를 정보+국어과목에서 배운 내용들을 확장하여 나의 생각을 정리하는 PPT자료를 제작하고 있는 중이다. 현재 발표자료의 목차와 대략적인 근거가 되는 내용을 조직하였으며 내일 나의 주장을 명확히 할 수 있는 자료를 보완하여 융합적인 사고를 돕는 발표자료를 제작하려 한다.

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권현주 선생님

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물리학1 + 수학

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권현주 선생님

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권현주 선생님

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권현주 선생님

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권현주

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권현주 선생님

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권현주

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최인화

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권현주

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생명과학2, 세계문제와 미래사회, 심화수학

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물리학 + 화학

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물리학2+심화 수학

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수학+화학

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생명과학 + 기하

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윤리+일사

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화학 + 수학

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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화학은 때로는 아주 작은, 어쩌면 일반적인 방식으로는 볼 수 없는 물질, 혹은 위치를 특정지을 수 없는 입자들이 있다. 이러한 입자들을 나타내기 위해, 화학의 불확정성 속 최선의 결과를 규명하기 위해 수학을 이용한 수식으로 나타낸다

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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진자운동은 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 물리 현상이며, 시계추나 그네의 움직임 등으로 우리 주변에서 자주 관찰되고 있다. 이러한 진자의 움직임은 단순한 반복 운동처럼 보이지만, 실제로는 삼각함수와 깊이 연결되어 있다는 점에서 흥미로워서 이 주제를 선정하였다. 특히 진자의 위치, 속도, 가속도를 시간에 따라 표현할 때 사인함수와 코사인 함수가 사용된다는 것을 알게 되었고, 수학과 물리가 어떻게 연결되는지 구체적으로 이해하고 싶었다. 따라서 이번 탐구를 통해 진자운동의 원리를 물리적으로 분석하고, 삼각함수를 이용해 그 움직임을 수학적으로 모델링하는 과정을 자세히 알아보고자 했습니다. 이 과정은 수학적 개념이 실제 자연 현상을 설명하는 데 어떻게 활용되는지를 탐구할 수 있는 좋은 기회라고 생각해서 이 내용을 선정하게 되었다.

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지구과학+세미

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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주제: mRNA백신의 작용원리와 유전정보 흐름에 대한 탐구

생명과학2 시간에서 단백질 합성과 전달 과정, 효소작용 기전에 대해 학습하였고, 세계문제와 미래사회 시간에 감염병 문제가 세계적으로 큰 문제인 것을 알게되었다. 팬데믹은 인류에게 감염병 대응의 중요성과 한계를 동시에 보여주었으며, 그 해결의 중심에는 mRNA 백신이라는 첨단 생명공학 기술이 있었다. 팬데믹 이후에도 기후변화로 인한 감염병 확산 우려가 커지는 가운데, mRNA 백신 플랫폼은 다양한 전염병에 대한 신속하고 유연한 대응 수단으로 주목받고 있다. 이러한 세계적 보건 문제에 대한 관심은 과학 기술이 위기를 어떻게 해결할 수 있는지 탐구하고자 하는 동기로 이어졌다.

특히 mRNA 백신은 생명과학뿐 아니라 수학적 분석, 약동학 모델링 등 융합적 사고를 요구하는 주제라는 점에서 흥미가생겼다. 세포 내에서 항원이 어떻게 생성되고, 전달체가 어떻게 작용하며, 그 과정을 수학적으로 어떻게 설명할 수 있는지에 대한 궁금증이 생겨서 이 주제를 선정하게 되었다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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주제: 계면활성제의 구조와 표면장력 조절: 기포 형성과 세정 효과의 과학적 분석

2학년 때 천연 비누 제작 활동을 하며, 비누가 오염물질을 효과적으로 제거하는 원리에 대해 궁금증을 갖게 되었다. 직접 만든 비누가 물에 잘 녹고 거품이 풍부하게 생기는 현상을 관찰하면서, 단순히 재료의 차이뿐 아니라 비누 분자의 구조와 물리적 성질이 세정력과 어떤 관련이 있는지 더 깊이 알고 싶었다. 특히, 비누와 같은 계면활성제가 물의 표면장력에 어떤 변화를 일으키는지, 그리고 이로 인해 오염물질 제거와 거품 형성이 어떻게 달라지는지 과학적으로 알아보고자 했다. 이러한 경험을 바탕으로, 이번 탐구에서는 계면활성제의 구조와 표면장력 조절: 기포 형성과 세정 효과의 과학적 분석을 주제로 다양한 데이터들을 분석하여 논리적으로 이해하고자 주제를 선정하였다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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야구나 축구처럼 공을 던지거나 차는 운동에서 공이 그리는 궤적이 왜 포물선처럼 생겼는지 궁금했다. 특히 던지는 각도나 힘이 조금만 달라져도 공이 날아가는 거리나 높이가 크게 달라지는 걸 보고, 그 원리를 과학적으로 알아보고 싶다는 생각이 들었다. 이를통해 이번 자율 주제 탐구에서는 투사체 운동의 물리적 원리를 바탕으로 시간에 따른 위치 변화를 수식으로 모델링하고, 그걸 시각적으로 표현해보는 것을 목표로 주제를 정하게 되었다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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중심체에서 뻗어나오는 방추사의 길이 변화 과정에서 염색체를 정확히 인지하고, 규칙적으로 배열될 수 있게 하는 특정한 원리가 있지 않을까 조사하던 중 헤르트윅 법칙을 발견하였다. 방추사는 염색체를 정렬시키고 자매 염색분체를 양극으로 끌어단겨 딸세포에 정확히 분배되도록 한다. 이 방추사는 세포 내에서 분열 방향의 축을 형성하는데, 결국 세포가 어떤 방향으로 나뉠지 결정하는 중요한 구조이다. 이 축의 방향은 세포 모양에 따라 달라지며, 헤르트윅 법칙에 의하면 세포는 가장 긴 축을 따라 분열하려는 경향이 있다고 한다. 세포의 분열에 영향을 미치는 세포의 기하학적 형태에 관심을 갖고, 그러한 형태에서 발견되는 볍칙을 탐구하고자 한다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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시험 방식이 서술형 평가 중심으로 바뀌면서

객관식 문제만 잘 푸는 것으로는 부족해지고 있어요.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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수학의 수식을 이용해 정의된 화학 내용에 대해 탐구해보기 위해 먼저 관련 도서를 구글에서 탐구해본 결과, 미적분 이상의 수준을 넘지 않는, 고1 수준으로 화학 속 수학 수식, 개념이 어떻게 쓰이는지 작성한 책을 발견했고, 이에 이 책을 학교 도서관, 동네 근처 도서관인 도원 도서관, 거기에 전자책 플랫폼을 다 뒤져봤지만 찾을 수 없어 이에 아무래도 인터넷 서핑을 통해 자료를 탐색하는 방향으로 목표를 잡았다. 일단 가장 먼저 이 학계에서 가장 대표적인 예시라 볼 수 있는 오비탈의 각 위치에서 전자가 존재할 확률에 대해 어떻게 확률밀도함수로 정의할 수 있는지에 대한 배경을 탐구해보기 위해 관련 유튜브(Math MVP - 오비탈과 확률밀도함수)를 참고하여 오비탈의 전자의 배치를 하이젠베르크의 불확정성의 원리를 이용해 확실히 특정지을 수 없음을 증명하는 방법, 전자의 위치를 대략적으로 파악하는 방법, 수식 표현 방법, 그리고 확률밀도함수의 측면에서 보른의 해석, 이를 활용한 s,p오비탈에서의 확률밀도함수 그래프, 전자 존재 확률을 탐구했다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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친환경 섬유 개발이 중요해지면서, 재활용 섬유의 성능도 중요한 문제가 되고있다. 또, 한경 오염을 줄이기 위한 방안으로 재활용 섬유 사용이 늘어나고 있어 분석해보고자 하였다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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1일차에는 진자 운동에 대한 개념과 원리에 대해서 조사해 보았다. 진자는 한쪽 끝이 고정되어 있고, 다른 끝에 물체가 달려 자유롭게 흔들릴 수 있는 장치를 말한다. 흔히 시계추, 그네, 줄에 매달린 물체 등이 진자의 예로 들 수 있다. 진자에 작용하는 힘에 의해 좌우로 왕복하는 운동을 진자 운동이라고 하며, 이는 주기 운동(일정한 시간 간격으로 같은 경로를 반복)이다. 진자에 작용하는 주요 힘은 다음 두 가지이다. 중력은 항상 아래 방향으로 작용하는 힘이고, 장력(T)은 실이나 막대가 물체를 잡아당기는 힘, 실의 방향을 따라 작용한다. 진자가 평형 위치(가장 아래 위치)를 벗어나면 중력이 수직 방향이 아닌 평형 위치로 되돌아가게 하려는 성분이 생긴다. 이 힘이 진자를 원래 위치로 되돌리게 하며, 이를 복원력이라고 한다. 진자 운동에서는 위치 에너지와 운동 에너지가 서로 전환되며, 전체 역학적 에너지는 보존된다. 최고점에서는 위치 에너지 최대, 운동 에너지 0이고 평형점에서는 운동 에너지 최대, 위치 에너지 최소가 된다. 진자운동 방정식 유도는 진자가 각도가θ만큼 기울었을 때, 중력에 의한 복원력(복원 토크)이 작용하여 중심으로 돌아오려는 힘을 발생시킨다. 복원 토크는

τ = mgLsinθ러 나타낼 수 있다.

τ: 토크 m: 추의 질량 g: 중력가속도 L: 줄의 길이로 나타낸다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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오늘도 말로 서술하기 힘든, 혹은 정확한 값을 구할 수 없다거나 수학 수식으로 엮을 수 있을만큼 상관관계가 있는 화학 개념에 대해 구글링으로 찾아보다가 전기적 중성임을 이차방정식을 이용해 나타낼 수 있다는 것을 알게 되었고, 이와 관련된 자료를 탐구하는 중 관련 유튜브(Sungho Kim -

[물리전자공학|4.5] #도핑농도와 캐리어농도의 상관관계 #전하중성조건 #캐리어농도의 온도 경향성)에서 온도적 평형 상태일 때, 반도체가 전하 중성 조건을 만족하기 위해선 캐리어 농도(단위 부피당 전하 운반체(전자 또는 정공)의 개수 즉, 반도체 내에서 전하를 운반하는 전자와 정공의 수를 나타내는 값)와 도펀트 농도(반도체 물질에 의도적으로 첨가되는 불순물의 농도)의 합이 0이 되어야함(p0 - n0 + Nd - Na = 0, 이때 p0은 정공 농도, n0은 전자 농도, Nd는 도너 농도, Na는 어댑터 농도)을 알게 되었고, 이것에 질량 작용의 법칙을 통해 유도한 수식 n0p0 = ni^2(ni는 진성 반도체(도핑x 반도체) 농도)을 이용하여 이차방정식 n0 = Nd - Na/2 + [(Nd - Na/2)^2 + ni^2]^1/2을 유도하고, 이를 이용해 도핑 농도 Nd가 주어지고 도핑 농도 Nd가 진성 반도체 농도 ni보다 클 때, 혹은 진성 반도체 농도 ni와 도핑 농도 Nd 차가 크지 않을 때 정공 농도 p0 값을 구하는 방법을, 온도에 따라 도핑된 반도체 즉, 외인성 반도체의 캐리어 농도가 어떻게 변하는지 알게 되었다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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폭염과 기후변화가 심화되며 도시에 열섬현상이 크게 나타나고있다. 대기 에너지 흐름, 복사열, 지표 특성등의 과학 개념과 미래 사회에 필요한 친환경 도시 설계릉 결합하여 이를 제안하고자 이 주제를 선정하였다

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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1일차에는 투사체 운동의 기본 개념과 물리적 원리를 정리했다. 투사체 운동은 초기 속도를 가지고 어떤 각도로 던져진 물체가 중력의 영향을 받아 포물선 궤적을 그리는 운동이다. 이 운동은 공기 저항이 없다고 가정했을 때, 수평 방향과 수직 방향의 운동을 분리해서 분석할 수 있다. 그리고 수평 방향은 등속도 운동이기 때문에 일정한 속도로 이동하고 수직 방향은 중력의 영향을 받는 등가속도 운동이다. 그리고 이러한 궤적에 영향을 주는 다양한 조건에 대해 생각해봤다. 예를 들어, 포물선은 초기 속도가 클수록 더 멀리 날아가고, 발사각에 따라 도달하는 높이와 거리도 달라진다. 특히 공기 저항이 없는 상태에서는 45도가 가장 멀리 나가는 각도라는 개념을 확인하고 이러한 기본 원리를 바탕으로 앞으로 탐구하고 싶은 방향을 설정했는데 다양한 조건 예)속도, 각도, 중력 등 에 따라 궤적이 어떻게 달라지는지를 수학적으로 모델링하고, 이후 시뮬레이션을 통해 그 결과를 시각화하는 것을 목표로 설정했다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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mRNA 백신의 생명과학적 원리를 더 깊이 이해하기 위해 생명과학 시간에 배운 유전 정보의 흐름과 단백질 합성 과정을 다시 정리하고 백신 기술에 어떻게 적용되는지를 다양하게 알아보았다. 특히 mRNA가 세포 안에서 리보솜에 의해 해독되어 단백질이 합성되는 과정을 자세히 살펴보며 지질 나노입자에 mRNA를 감싸 전달하는지 과학적 원리를 탐구하였다.

내가 탐구하는 내용에 대해 정확한 정보를 얻기 위해 백신 개발과 관련된 과학 서적과 최신 연구 기사를 검색하였고, 그중에서 mRNA 백신 개발 과정을 다룬 자료를 찾아 읽었다. 학교 도서관에서 생물학 기술과 관련된 도서를 대출하며 mRNA의 안정성을 높이는 기술에 대해 알아보았고 논문을 통해 면역 반응 유도 과정과 인체의 무해한 기술 개발에 대해 추가적으로 탐구했다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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1.계면과 표면장력의 분자적 이해
계면이란 서로 다른 두 물질이 만나는 경계면을 의미하며, 대표적으로 물과 공기, 물과 기름의 경계가 여기에 해당한다. 계면에 위치한 분자들은 내부에 있는 분자들과 달리 한쪽은 같은 물질, 다른 한쪽은 다른 물질과 상호작용하기 때문에 특이한 물리적 성질을 보인다. 표면장력은 바로 이 계면에서 발생하는 현상으로, 액체 표면의 분자들이 내부 분자들보다 외부(공기)와의 인력이 약해져 표면적을 최소화하려는 힘이다. 표면장력은 액체의 흐름, 적심성, 기포 및 거품 형성 등 다양한 물리적 현상을 결정하는 중요한 요인이다. 이러한 표면장력의 크기는 액체의 종류, 온도, 용질의 존재 등 여러 조건에 따라 달라진다.

2.계면활성제의 분자구조와 작용 원리
계면활성제는 한 분자 안에 친수성 머리와 소수성 꼬리가 결합된 양친매성 구조를 가진다. 이 독특한 구조 덕분에 계면활성제는 물과 기름처럼 원래 잘 섞이지 않는 두 물질의 계면에 흡착하여, 두 상의 경계에서 분자 배열을 변화시킨다. 계면활성제가 첨가되면, 이 분자들은 표면에 흡착하여 소수성 꼬리가 물 분자 사이의 결합을 방해한다. 이로 인해 표면장력이 급격히 감소하며, 계면활성제 농도가 증가할수록 더 많은 분자가 표면에 흡착해 표면장력을 지속적으로 낮춘다. 그러나 표면이 계면활성제 분자로 포화되면 더 이상 표면장력이 감소하지 않고 일정한 값을 유지하는데, 이때의 농도를 임계미셀농도라고 한다. 이 농도 이상에서는 계면활성제 분자들이 표면이 아닌 물 속에서 미셀이라는 구형 집합체를 형성하기 시작한다. 미셀은 소수성 꼬리가 안쪽으로 모이고 친수성 머리가 바깥을 향하는 구조로, 기름이나 오염물질을 내부에 가두어 쉽게 물로 씻어낼 수 있게 한다.

3.계면활성제의 분류와 성질
계면활성제는 친수성 머리 부분의 전하에 따라 음이온성, 양이온성, 비이온성, 양쪽성으로 구분된다. 음이온성 계면활성제는 머리 부분이 음전하를 띠며, 비누나 일반 세제에 많이 사용된다. 양이온성 계면활성제는 머리 부분이 양전하를 띠고, 주로 섬유유연제나 살균제 등에서 사용된다. 비이온성 계면활성제는 전하를 띠지 않아 경수에서도 잘 작동하며, 화장품이나 일부 세정제에 쓰인다. 양쪽성 계면활성제는 pH에 따라 양이온 또는 음이온처럼 행동할 수 있으며, 생체 내 인지질 등이 대표적이다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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방추사가 중심체에서 형성되는 과정과 방추사가 염색체의 동원체를 찾아가는 원리 및 과정에 대해 탐구해보았다.

방추사가 중심체에서 형성되는 과정

중심체는 세포 내에서 미세소관의 조직과 분배를 담당하는 중요한 세포소기관이다. 중심체에는 두 개의 중심소체가 존재하고, 이 중심소체가 미세소관을 조직하는 데 중요한 역할을 한다. 세포가 분열을 시작할 때, 중심체는 두 개로 분리되어 세포의 양쪽 극으로 이동한다. 그 후 중심체는 미세소관을 방출하여 방추사를 형성하는데 이 미세소관들이 방추사 섬유가 된다.

방추사는 두 가지 주요 섬유로 구성된다.
극성 섬유: 두 중심체에서부터 세포의 중앙을 향해 뻗어 있으며, 서로 밀접하게 맞닿지 않고 세포 중앙에서 만나게 된다.
엽상 섬유: 염색체의 키네토코어에 결합하는 미세소관으로, 염색체를 양극으로 끌어당기는 역할을 한다.

방추사가 완전히 형성되면, 염색체는 미세소관의 엽상 섬유와 결합하여 방추사 중앙에 정렬된다. 이때 염색체는 세포의 중앙에 정확히 위치하게 되며, 이는 분열이 완료될 때 두 딸세포로 정확하게 염색체를 분배할 수 있도록 준비하는 단계다. 염색체가 방추사에 결합하고 정렬되면, 이후에 염색체가 분리되어 각 딸세포로 정확히 분배된다. 방추사는 세포의 분열을 정확히 조절하고, 염색체의 이동을 돕는다.

방추사가 동원체를 찾아가는 과정

유사분열이 시작되면 중심체는 두 개로 나누어져 세포의 양극으로 이동한다. 중심체는 미세소관을 방출하여 방추사를 형성하는데, 이 미세소관들이 극성 섬유와 엽상 섬유로 구분된다. 염색체는 유사분열의 전 단계에서 길이가 짧아지고 응축되는데 이때 염색체의 각 염색체에는 동원체라는 특수한 단백질 복합체가 염색체의 세로 중앙에 형성된다. 방추사의 엽상 섬유는 세포 중앙을 향해 뻗어 있고 방추사는 염색체에 있는 동원체를 찾아서 결합하기 위해 무작위로 탐색을 시작한다. 방추사의 미세소관은 일종의 검색작용을 통해 염색체의 동원체를 찾는데 이 과정에서 미세소관이 동원체를 탐지하고 결합하는 시점까지 서로 교차하며 계속해서 미세소관을 확장하고 재조합한다. 이후 미세소관의 끝부분은 동원체의 특정 부위인 키네토코어와 결합한다. 동원체는 여러 단백질 복합체로 이루어져 있으며, 이 복합체는 방추사 섬유와 결합하는 특정 부위를 제공한다. 방추사 섬유의 미세소관은 동원체의 키네토코어에 결합하면서 염색체의 정확한 위치와 운동을 조절한다. 동원체와 방추사 섬유가 결합하면, 미세소관은 안정화되어 방추사가 염색체를 잡아당길 수 있도록 준비된다. 이때 미세소관의 일부는 동원체와 결합된 상태로 고정되고, 일부는 계속해서 미세소관의 재조합을 통해 염색체를 밀고 당긴다. 방추사 섬유가 동원체에 결합하면, 염색체는 세포 중앙에 정렬되고 메타페이즈라고 불리는 단계가 시작된다. 염색체는 세포의 중앙에 일렬로 배열되어 두 딸세포로 정확히 분배될 수 있는 준비를 마친다. 염색체가 정확히 세포 중앙에 정렬된 후, 방추사 섬유는 염색체를 두 극으로 당기며 분리하는데 이때 동원체와 방추사 섬유가 서로 밀고 당기며 분리력을 만들어내어 염색체가 두 딸세포로 균등하게 분배된다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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디지털시대의 윤리적 문제점으로 대두되고 있는 것이 무엇인지 알기 위해 정보시간에 배운 다양한 인공지능 기술들을 다양하게 알아보고, 여기서 제기될 수 있는 문제점을 다룬 국어 지문을 활용하여 사고를 확장하고자 노력하였다. 나의 탐구의 방향이 어떻게 진행되는 것이 맞는지에 대해 조언을 줄 수 있는 "빅데이터", "디지털 기술의 길" 등등의 도서를 검색하였으며 이 중에서 "빅데이터"라는 도서를 학교 도서관에서 대출하여 정독하고 내용을 정리하는 중이다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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도시 열섬 현상의 개념과 발생 원인에 대해 조사하였다. 도시 열섬은 도시 지역의 기온이 주변 농촌 지역보다 높게 나타나는 현상으로, 인구 밀도 증가, 건축 자재의 특성, 녹지 부족, 교통량 증가 등이 주된 원인으로 알려져있다. 지구과학2에서 배운 복사 에너지의 흡수와 방출, 지표면 반사율, 대기 구조와 열 에너지의 이동 개념을 바탕으로 도시 열섬의 과학적 원리를 이해하고자 하였다. 특히, 도시의 아스팔트와 콘크리트 같은 인공 구조물은 지표면 반사율이 낮아 태양 에너지를 흡수하고 열을 저장한 뒤 서서히 방출함으로써 도심의 온도를 높이는 데 기여한다는 사실을 확인하였다. 또한 고층 건물들이 바람의 흐름을 방해해 대기 순환이 원활하지 않아 열이 도시 내에 정체된다는 점도 알게 되었다. 이처럼 도시 열섬은 복합적인 원인에 의해 발생하는 현상이며, 단순한 더위의 문제가 아닌 도시 환경 전반에 영향을 미치는 중요한 문제임을 인식하게 되었다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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2일차에는 1일차에 정리한 물리 원리를 바탕으로 다양한 조건에서 투사체의 운동 궤적을 수학적으로 모델링하는 데 집중했다. 먼저, 투사체 운동의 기본 방정식을 다시 정리하면서 수평 방향 운동은 x(t) = v₀ * cos(θ) * t, 수직 방향 운동은 y(t) = v₀ * sin(θ) * t - ½ * g * t²임을 확인했는데 이 두 식을 결합하는 방식을 통하여 시간 t를 제거하고, 궤적을 위치 x의 함수로 나타낸 식 y = x * tan(θ) - (g / (2 * v₀² * cos²(θ))) * x²도 도출했다 그리고 다양한 조건에서 궤적이 어떻게 달라지는지 계산하고 분석했다. 예를 들어, 발사각이 30도, 45도, 60도일 때 궤적이 어떻게 달라지는지를 그래프와 함께 비교했고, 같은 속도에서 각도만 바꾸었을 때 최고점과 도달 거리가 다르게 나타나는 점을 확인했다. 특히 45도일 때 수평 도달 거리가 가장 크다는 것을 수식 계산을 통해 검증할수 있었다. 또한 초기 속도를 다르게 설정해보며 속도가 클수록 궤적이 더 길고 높게 그려진다는 점도 수치로 확인했다. 이 과정에서 각각의 조건(초기 속도, 발사각)에 따른 비행 시간, 최고점 높이, 수평 도달 거리를 직접 계산하고 표로 정리하는 활동을 통해 이러한 수학적 모델링을 통해 단순히 그래프를 보는 것이 아니라, 방정식만으로도 투사체의 궤적을 예측할 수 있다는 점을 이해하게 되었고, 이 결과를 바탕으로 다음 날에는 시뮬레이션을 통해 실제 그래프를 시각화하고 예측값과의 비교를 해보는 것을 목표로 삼았다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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지속 가능한 사회를 위한 과학기술이 중요한 이슈가 되고 있는 가운데, 섬유 산업은 특히 환경 오염의 주요 원인으로 지적되고 있다는 점에서 관심을 가졌다. 이 과정에서 ‘재활용 섬유’라는 개념에 주목하게 되었고, 재생면, PET병에서 추출한 재활용 폴리에스터(RPET)와 같은 신소재가 실제로 옷, 가방, 카펫 등에 활용되고 있음을 알게 되었다. 특히 재활용 섬유는 자원을 절약하고 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있지만, 일반 섬유에 비해 강도나 내구성이 떨어질 수 있다는 단점도 있었다. 이를 보완하기 위해 순면 등 기존 섬유와 혼합해 사용하는 경우가 많다는 점에서 '혼합 비율'이 성능에 미치는 영향이 중요하다는 것을 느꼈다. 강도(인장강도)는 섬유의 품질을 결정짓는 핵심 물성이며, 바로 이 강도가 혼합 비율에 따라 어떻게 변하는지 수학적으로 분석해보는 것이 본 탐구의 목표가 되었다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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오늘은 mRNA 백신의 핵심 전달 플랫폼인 지질 나노입자 LNP의 구조적 특성과 생체 내 기능을 생명과학적으로 심화 분석하였다. LNP는 mRNA를 외부 환경으로부터 보호하고 세포 안으로 정확히 전달하기 위해 고도로 설계된 생체 적합성 나노구조이며 이들의 기능은 각 구성 성분의 특성과 조합에 따라 결정된다.

가장 핵심이 되는 이온성 지질은 약산성 조건에서 양전하를 띠며 음전하를 띤 mRNA 분자와 전기적 인력에 의해 복합체를 형성한다. 이는 수소 결합과 정전기적 상호작용이 동시에 작용하여 안정적인 나노구조를 형성하는 원리로 설명된다. 이러한 결합은 단순한 물리적 포집이 아니라 분자 간의 전하 상호작용을 정밀하게 조절한 결결이며 세포 내 산성화된 엔도좀 환경에서도 mRNA를 보호할 수 있는 주요 요인으로 작용한다. 또한 이온성 지질은 엔도좀 탈출 단계에서 pH에 민감하게 반응해 막 융합을 유도하며 전달 효율을 향상시킨다.

콜레스테롤은 LNP 내부 지질층 사이에 삽입되어 인지질 간 상호작용을 안정화하고 나노입자의 막 유동성을 조절한다. 이는 막의 결정성과 유동성 간 균형을 맞춰주는 역할을 하며 외부 자극에 대한 구조적 저항성을 제공함으로써 mRNA의 구조적 안정성을 확보하는 데 기여한다. 특히 콜레스테롤 함량의 비율은 LNP의 물리적 경도와 붕괴 시간을 결정짓는 핵심 변수로 작용한다.

PEG 지질은 나노입자 표면에 친수성 막을 형성하여 혈중 단백질과의 비특이적 결합을 억제하고 면역세포에 의한 탐지를 최소화한다. 이로 인해 LNP는 체내에서 긴 시간 동안 순환할 수 있으며 목표 세포에 도달할 가능성이 높아진다. 이러한 효과는 PEG 사슬의 길이와 밀도에 따라 달라지며 약물학적 관점에서 약물의 반감기를 결정짓는 주요 변수 중 하나로 취급된다.

인지질은 LNP 구조에서 지질 이중층을 형성함으로써 세포막과의 구조적 유사성을 확보하며 생체적합성을 크게 향상시킨다. 인지질은 수소 결합 및 소수성 상호작용을 통해 LNP 내부에서 지질 분자 간 안정된 배열을 유도하고 이는 세포막 융합 과정에서 핵심적인 역할을 수행한다. 특히 인지질의 포화도와 사슬 길이는 나노입자의 막 유동성 막 융합력 및 내부 mRNA 보호 능력에 밀접한 영향을 준다.

추가적으로 LNP의 크기와 표면 전하는 세포 내 진입 경로와 면역반응 유발 가능성에 직접적인 영향을 미친다. 약 70에서 100 나노미터 크기의 입자는 림프관을 통한 조직 이동이 용이하고 엔도사이토시스 경로에 적합한 크기로 간주된다. 표면 전하는 Zeta potential을 기준으로 분석되며 이는 세포막의 인지질과의 전하 상호작용뿐만 아니라 체내 단백질과의 결합 경향에도 영향을 준다. 일반적으로 중성 또는 약간 음전하를 띠는 표면은 면역계 회피에 유리하며 이는 백신 안정성과도 직결된다.

오늘 탐구는 단순한 구조 이해에 그치지 않고 각 구성 성분이 수행하는 생물물리학적 역할이 어떻게 상호작용하여 전체 시스템으로 작동하는지를 자세히 이해하는 데 중점을 두었다. 특히 LNP의 정교한 분자 설계가 mRNA의 분해를 막고 효율적인 세포 내 전달을 가능하게 하며 생체 내 반응을 최소화하는 것이 인상적이었다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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1. 탄화수소 사슬 길이와 표면활성 변화

계면활성제의 소수성 꼬리는 대부분 탄화수소 사슬이며, 이는 제조가 쉽고 적절한 소수성을 제공하기 때문이다. 계면활성제의 탄화수소 사슬 길이가 왜 그렇게 중요할까? 이를 이해하기 위해 비누를 예로 들어보자. 비누의 주성분인 지방산나트륨에서 탄소 원자가 12개(라우르산), 14개(미리스트산), 16개(팔미트산)인 경우를 비교해보면 흥미로운 차이점을 발견할 수 있다. 탄화수소 사슬이 길어질수록 소수성이 강해진다. 탄화수소 사슬은 탄소와 수소로만 이루어져 있어서 물과 상호작용할 수 있는 부분이 없다. 사슬이 길수록 물 분자들이 그 주변에 만들어야 하는 구조화된 영역이 더 커진다. 이런 소수성의 증가는 계면활성제의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 사슬이 길수록 물에서 빠져나오려는 힘이 강해져서 표면에 더 강하게 흡착된다. 실제로 탄소 수가 2개씩 증가할 때마다 표면장력 저하 능력이 약 3-4배씩 증가한다. 하지만 무조건 길기만 하면 좋은 것은 아니다. 너무 길면 물에 잘 녹지 않아서 오히려 효과가 떨어질 수 있다.

2. 머리부분의 크기와 전하가 미치는 영향

계면활성제의 머리 부분이 왜 중요할까? 머리 부분은 계면활성제가 물에 녹을 수 있게 해주는 핵심 부분이다. 머리 부분의 크기와 전하는 분자들이 표면에서 어떻게 배열되는지를 결정하는 중요한 요소다. 머리 부분이 클수록 분자들 사이의 간격이 넓어진다. 큰 머리를 가진 계면활성제는 표면에서 느슨하게 배열되어 표면을 완전히 덮기 위해 더 많은 분자가 필요하다. 반대로 작은 머리를 가진 분자들은 빽빽하게 들어설 수 있어서 적은 양으로도 표면을 효과적으로 덮을 수 있다. 같은 전하를 가진 머리들끼리는 서로 밀어낸다. 비누에 대부분 사용되는 음이온성 계면활성제의 경우 음전하를 띤 머리들이 서로 밀어내서 분자들 사이의 간격이 넓어진다. 이런 정전기적 반발 때문에 이온성 계면활성제는 비이온성에 비해 더 높은 농도에서 미셀을 형성한다. 임계미셀농도(CMC)는 계면활성제가 물 속에서 미셀을 만들기 시작하는 농도다. 머리 부분이 크거나 강한 전하를 가질수록 CMC가 높아진다. 왜냐하면 분자들이 뭉쳐서 미셀을 만들기가 더 어려워지기 때문이다. 반대로 머리가 작고 전하가 약할수록 분자들이 쉽게 뭉칠 수 있어서 CMC가 낮아진다. 염을 첨가하면 이온성 계면활성제의 CMC가 크게 감소한다. 이는 염 이온들이 계면활성제 머리들 사이의 정전기적 반발을 차폐해주기 때문이다. 마치 중재자가 들어가는 것과 같은 효과다.

3. 분지구조와 계면 안정성

직선형 탄화수소 사슬과 분지형 사슬의 차이는 무엇일까? 이는 계면활성제의 성능에 매우 중요한 영향을 미친다. 직선형 사슬을 가진 계면활성제들은 표면에서 나란히 정렬할 때 서로 밀착해서 배열할 수 있다. 반면 분지형 사슬을 가진 계면활성제들은 가지 때문에 완전히 밀착해서 배열하기 어렵다. 마치 나뭇가지들을 가지런히 정렬하려고 해도 곁가지들이 걸리는 것과 같다. 이런 구조적 차이는 여러 가지 성질에 영향을 미친다.

패킹 효율성의 차이: 직선형 사슬들은 반데르발스 힘을 통해 서로 강하게 인력을 발휘할 수 있다. 분자들이 가까이 붙어있을수록 이런 약한 힘들이 누적되어 전체적으로 강한 결합을 만든다. 하지만 분지형 사슬들은 가지 때문에 완전히 접촉할 수 없어서 이런 인력이 약해진다.

거품 안정성에 미치는 영향: 거품의 안정성은 거품막의 탄성과 관련이 있다. 직선형 계면활성제로 만든 거품막은 분자들이 규칙적으로 배열되어 있어서 외부 충격에 대해 탄성적으로 반응할 수 있다. 반면 분지형 계면활성제로 만든 거품막은 분자들의 배열이 불규칙해서 탄성이 떨어지고 거품이 더 쉽게 터진다.

4. 이중꼬리 vs 단일꼬리 구조

일반적으로 우리가 사용하는 비누는 단일꼬리 구조를 가진 계면활성제다. 하지만 자연계와 특수 산업 분야에는 이중꼬리를 가진 계면활성제들이 존재한다. 이 두 구조의 차이는 표면장력과 기포 형성에 매우 흥미로운 영향을 미친다.

단일꼬리 구조의 특징: 일반 비누인 팔미트산나트륨을 예로 보면, 하나의 카르복실산 머리(-COO⁻Na⁺)에 하나의 긴 탄화수소 사슬(C15H31-)이 붙어있다. 이런 구조는 마치 올챙이처럼 생겼다. 물에서 이런 분자들은 머리끼리 바깥쪽으로, 꼬리끼리 안쪽으로 모여서 구형의 미셀을 만든다.

이중꼬리 구조의 특징: 대표적인 예가 레시틴 같은 인지질이다. 하나의 인산 머리 그룹에 두 개의 지방산 꼬리가 붙어있다. 마치 포크처럼 생긴 구조다. 이런 분자들은 구형 미셀 대신 이중층 구조나 베시클(주머니 모양)을 만든다.

CMC와 용해도의 차이: 이중꼠리 계면활성제는 단일꼬리에 비해 훨씬 낮은 CMC를 가진다. 예를 들어 일반 비누의 CMC가 10-20 mM 정도인 반면, 인지질은 10⁻⁹ M 수준의 극도로 낮은 CMC를 가진다. 이는 두 개의 꼬리로 인해 소수성이 더 강해져서 물에 녹기 어려워지기 때문이다.

기포 안정성의 차이: 여기서 흥미로운 현상이 나타난다. 이중꼬리 계면활성제는 일반 비누보다 훨씬 더 안정한 기포를 만든다. 두 개의 꼬리가 계면에서 더 조밀하고 규칙적인 배열을 만들어서 기포막이 더 튼튼해진다. 실제로 폐에서 호흡을 돕는 폐계면활성제도 이중꼬리 인지질이 주성분이다.

이중꼬리가 더 안정한 기포를 만든다면 왜 비누에는 단일꼬리대신 쓰이지 않을까? 첫째, 비용이 훨씬 비싸다. 이중꼬리 계면활성제는 제조가 복잡하다. 둘째, 세정용도에서는 기포가 너무 안정하면 오히려 문제가 된다. 설거지 후 거품이 며칠씩 안 사라진다면 곤란하다. 셋째, 청소 효과도 떨어진다. 단일꼬리 미셀이 쉽게 형성되고 파괴되면서 때를 더 효과적으로 제거한다.

단일꼬리 계면활성제는 비누, 세제, 샴푸 등 일상적인 청소용품에 주로 사용된다. 반면 이중꼬리 계면활성제는 의료용 리포좀(약물 전달), 화장품의 유화제, 폐계면활성제 등 특수한 용도에 사용된다. 각각의 구조가 서로 다른 목적에 최적화되어 있다는 것이다.

5. 구조 최적화의 원리

지금까지 살펴본 구조적 요소들을 종합하면, 우리가 매일 사용하는 손 씻는 비누의 최적 설계 원리를 도출할 수 있다.

사슬 길이 최적화: 손 씻는 비누에는 C12-C16 혼합이 최적이다. 구체적으로 라우르산(C12) 30%, 미리스트산(C14) 40%, 팔미트산(C16) 30% 정도의 비율이 이상적이다. C12는 낮은 CMC로 빠른 거품 형성을 담당하고, C14는 적절한 표면장력 저하로 풍성한 거품을 만들며, C16은 분자간 상호작용을 강화해서 거품의 지속성을 제공한다. 너무 짧은 사슬(C8-C10)만 사용하면 표면 흡착이 약해 거품이 금방 사라지고, 너무 긴 사슬(C18 이상)만 사용하면 CMC가 너무 낮아 거품 형성이 어렵다.

머리그룹 최적화: 손 씻는 비누에는 나트륨 카르복실레이트(-COO⁻Na⁺)가 가장 적합하다. 카르복실기는 적절한 전하 밀도를 가져서 표면에서 분자들이 너무 빽빽하지도 느슨하지도 않게 배열된다. 나트륨 이온은 적당한 이온 반지름으로 고체 상태의 안정성을 제공하면서도 물에 닿으면 빠르게 해리된다.

분자 배열 최적화: 직선형 지방산이 분지형보다 훨씬 우수하다. 직선형 사슬들이 표면에서 평행하게 배열되면서 반데르발스 힘을 통해 안정한 단분자막을 형성한다. 이는 적절한 표면 점탄성을 제공해서 거품이 외부 충격에 견디면서도 과도하게 안정하지 않아 헹굼시 쉽게 제거된다. 분지형 구조는 불규칙한 배열로 인해 거품의 질이 떨어진다.

꼬리 개수 최적화: 단일꼬리 구조가 손 씻기에는 필수적이다. 이중꼬리 구조는 너무 낮은 CMC(10⁻⁹ M)와 과도한 막 안정성으로 인해 손 씻기에 적합하지 않다. 단일꼬리의 적절한 CMC(15-20 mM)는 쉬운 미셀 형성과 해체를 가능하게 해서 효과적인 세정과 용이한 헹굼을 동시에 만족시킨다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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2일차에는 진자운동에 삼각함수가 왜 필요한지에 대해서 조사해보았다. 진자는 원 호를 따라 움직이므로, 위치를 직선 거리보다 각도로 표현하는 것이 더 정확하며, 이때 삼각함수가 필요하다. 진자의 흔들림은 시간에 따라 반복되는 주기적인 운동이고, 이러한 주기성을 수학적으로 표현하는 데 삼각함수가 가장 적절하다. 진자가 원래 위치로 돌아가려는 힘(복원력)은 기울어진 각도에 따라 달라지기 때문에, 그 힘의 크기를 계산할 때도 삼각함수가 사용된다. 진자운동은 원운동의 일부분으로 볼 수 있으며, 원운동의 성질은 삼각함수를 통해 수학적으로 설명할 수 있다. 진자의 위치 변화를 시간에 따라 그래프로 나타내면 삼각함수의 곡선(사인이나 코사인)과 동일한 형태가 되므로, 삼각함수는 진자의 움직임을 가장 정확하게 표현하는 도구이기 때문에 진자운동에서 삼각함수를 활용하여 사용하고 있다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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재활용 섬유는 생산 방식에 따라 기계적 재활용과 화학적 재활용 으로 구분되며, 각각의 방식에 따라 섬유의 특성과 품질에 차이가 발생한다는 점을 확인했다. 기계적 재활용은 폐플라스틱이나 폐섬유를 세척하고 분쇄하여 다시 방사 하는 방식으로, 상대적으로 공정이 간단하고 저렴하지만 섬유의 길이가 짧아지거나 분자구조가 손상되어 강도가 떨어질 수 있다. 반면, 화학적 재활용은 고분자 사슬을 다시 단량체로 분해한 뒤 재합성하는 방식으로, 원래 섬유와 비슷한 품질을 얻을 수 있으나 비용과 에너지가 많이 든다. 오늘 조사한 주요 재활용 섬유에는 재생 폴리에스터(RPET), 재생면, 재생 나일론이 있다. RPET는 사용된 PET병에서 얻어지며 섬유 길이가 일정하고 내구성이 높은 편이지만 통기성은 낮다. 재생면은 폐의류나 면직물 조각에서 얻어지며 부드럽고 천연 소재 특유의 감촉을 갖지만, 섬유 길이가 짧아 강도가 낮고 마모에 약하다. 재생 나일론은 사용된 어망, 카펫 등에서 추출되며 가격은 높지만 탄성과 복원력이 뛰어난 소재로 평가된다. 이러한 섬유들의 구조적 특징을 분석하면서, 고등학교 화학 I에서 배운 '분자의 구조와 물질의 성질' 단원이 떠올랐다. 특히 고분자 사슬의 길이, 분자 간 결합력, 결정성 등이 섬유의 물성에 직접적인 영향을 준다는 점이 매우 흥미로웠다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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헤르트윅 법칙: '세포는 장축 방향으로 분열한' 에 대한 근거 탐구

세포가 자유롭게 회전할 수 있는 상황에서, 유사분열 방추체는 세포의 긴 축과 정렬되도록 조정된다. 이는 사이토키네킥 고리에서 생성되는 액토미오신 장력 덕분이며, 아스트랄 미세소관이 당기는 힘이 지배적이지 않을 때도 정렬이 가능하다. 만약 대뇌피질 당김이 강하면 방추체는 처음에 짧을 축과 정렬되지만, 이후 사이토 키네틱 고리의 장력에 의해 세포 전체가 회전하면서 결국 방추체가 다시 긴 축과 정렬된다. 이 과정을 통해 세포의 모양과 액토미오신 장력의 방향이 맞춰진다는 원칙은 다야한 상황에서도 적용될 수 있으며, 초기 발달 단계에서 방추체 위치 결정과 분열 방향에 중요한 역할을 한다고 제안된다.

헤르트윅 법칙과 관련된 수학적 모델 연구

물리적 모델을 정량적으로 검증하기 위해, 연구진은 내인성으로 표지된 NMY-2/Myosin::GFP를 이용하여 AB 세포에서 일어나는 14번의 세포 분열 과정을 스피닝 디스크 현미경으로 고해상도(dt = 2초)로 촬영하였다. 이들이 제시한 일반 이론에 따르면, 세포의 회전 속도는 사이토키네틱 고리와 세포 단축 사이의 각도 및 그에 따라 생성되는 활성 장력 T에 의해 결정된다. 이때, 회전에 영향을 미치는 계수는 배아의 DV-LR 평면에서의 종횡비, 배아와 난자 껍질 사이의 마찰력, 배아의 유효 점도에 따라 달라진다.

그림 4C에서는 사이토키네틱 고리에서 NMY-2/Myosin M의 양이 많을수록 생성되는 장력이 단조롭게 증가함을 보여준다. 이는 활성 장력 T와 Myosin M의 양 사이에 선형 혹은 포화 관계가 있다는 이론적 예측과 일치한다. 또한 고리가 형성되는 동안 NMY-2/Myosin M의 양이 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 증가하는 것이 관찰되었으며, 이로 인해 각도 φ의 탄젠트 값이 기하급수적으로 감소하는 현상이 나타났다. 이는 이론 모델에서 예측한 바와 정확히 일치하는 결과이다.

실제로 φ(고리와 단축 사이의 각도)와 M(Myosin의 양)을 함께 그래프로 나타내보면, 실험에서 얻은 φ의 변화 궤적이 모델이 예측한 곡선 위로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다(그림 4D 및 4E 참조).

종합하면, 이러한 실험 결과는 AB 세포에서 Hertwig의 법칙이 자발적으로 나타나는 과정이 NMY-2/Myosin에 의해 유도되는 사이토키네틱 고리의 장력 생성과 관련되어 있으며, 정렬이 잘못되었을 경우 세포 전체의 회전을 통해 이를 교정한다는 시나리오와 잘 부합한다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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디지털 시대의 윤리를 바르게 정리하고자 시도하는 나의 탐구활동의 근거를 마련하기 위해 쳇GPT뿐만 아니라 현재 통용되고 있는 다양한 어플이나 프로그램들을 활용하고, 여러가지 도구들의 장단점과 윤리적인 문제를 파악하기 위해 노력하였다. 이에 관련 학술자료에 접근하여 현시대적인 문제점들을 인식하게 되었으며 이에 대해 다른 사람들은 어떻게 생각하는지 알아볼 필요성을 실감하여 설문문항을 제작하여 그 링크를 공유하고 결과를 도출하는 작업을 진행하였다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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도시 열섬이 실제로 어떻게 나타나는지를 확인하기 위해 국내외의 실제 사례와 데이터를 분석하였다. 먼저 기상청과 서울시 환경데이터 자료를 활용하여 도심과 외곽 지역의 여름철 기온 차이를 조사하였다. 예를 들어, 서울 강남구와 양평군의 여름철 평균 기온을 비교한 결과, 도심이 외곽보다 약 2~3℃ 정도 높은 경향을 보였다. 또한 NASA가 제공하는 열 영상 사진을 통해 뉴욕등 주요 도시에서도 열섬 현상이 나타나는 것을 시각적으로 확인할 수 있었다. 특히 도심의 아스팔트 도로, 빌딩 밀집 지역, 녹지가 거의 없는 구역에서 지표면 온도가 현저히 높게 나타났으며, 이러한 온도 분포는 야간에도 지속되어 도시민의 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 점이 인상적이었다. 이러한 자료 분석을 통해 도시 열섬 현상이 단순한 이론적 개념이 아니라 실제 삶과 밀접하게 연결된 현상임을 더욱 깊이 이해하게 되었다.

자료 출처

https://earthobservatory.nasa.gov/images/47704/urban-heat-islands?utm_source=chatgpt.com

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Acquired in the summer of 2002, these color-coded images compare the urban heat islands of Buffalo, New York, and Providence, Rhode Island.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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오늘은 이제껏 조사했던 내용의 궤에 좀 벗어나서 큰 틀에서, 통계를 이용해 실험 오차를 분석해볼 것이다. 시작하기에 앞서, 이 통계를 이용한 실험 오차 분석은 실험이 어떤 실험인지에 따라 굉장히 많은 경우가 있을 수 있기에 그 중 네이버 블로그-영키-실험통계와 서울대학교 토양환경실험실에서 서술한 제 1장 실험오차와 통계 자료를 참고해 자료를 탐구했다. 이 두 자료를 이용해 통계를 이용한 실험 오차 분석을 탐구하는 과정에서, 실험 오차를 최소한으로 하기 위해, 혹은 실험 오차가 발생하더라도 빠르게 찾아내고 수정할 수 있도록 실험 계획을 작성하는 방법을 알게 되었고, 통계적 해석을 가능케하는 근본 원리 3요소(랜덤화, 반복, 블록화), 오차의 종류(계통 오차(-기기 및 시약의 오차, 작동 오차, 반복 오차로 나뉨), 우연오차) 그리고 통계가 기본적으로 어떻게 사용되어지는지(기본적으로는, 같은 실험을 여러번 반복해 값을 많이 구한 다음, 이를 정규분포와 신뢰구간을 이용해 참값을 낸다는 것) 또 여러 상황(값 하나만 동떨어졌을 때, 정량분석에서 실험값에 의한 검량선 작성, 단일 평균에 대한 추론, 두 평균에 대한 추론(-짝지어진 표본에 대한 추론, 독립 표본에 대한 추론으로 나뉨)) 에서 어떻게 활용되어지는지 탐구했다

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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3일차에는 앞서 1, 2일차에 수학적으로 모델링한 투사체 운동을 실제로 구현하고 시각화하는 활동을 진행하였다. 이를 통해 다양한 조건에서 궤적이 어떻게 달라지는지를 직접 확인하고, 수식으로 예측한 값과 실제 시뮬레이션 결과를 비교해보았다. 우선 Python을 사용하여 간단한 투사체 운동 시뮬레이션을 구현하였다. 입력값으로는 초기 속도 v0, 발사각 θ중력가속도 g를 사용하였고, 시간의 흐름에 따라 x(t)와 y(t)를 계산하여 궤적을 그래프로 나타냈다. 시뮬레이션에서는 수직 성분과 수평 성분을 각각 분리하여 처리하였고, matplotlib 라이브러리를 통해 포물선 궤적을 시각화하였다. 또한 2일차에 유도한 포물선 궤적 방정식을 그래프 상에 직접 입력하고, 슬라이더 기능을 통해 v0v_0v0​와 θ\thetaθ를 변화시키며 궤적 변화를 관찰하였다. 이를 통해 수식의 계수가 궤적의 형태에 어떤 영향을 주는지를 직관적으로 확인할 수 있었다. 그리고 이를 통해 발사각이 45도일 때 수평 도달 거리가 가장 멀고, 초기 속도가 클수록 포물선의 높이와 거리 모두 증가하며, 같은 조건에서 시뮬레이션 그래프와 수학적으로 계산한 결과 간의 오차는 거의 없었다는 것을 알수 있었다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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3일차에는 진자운동과 삼각함수의 과학적 원리 융합에 대해서 조사해보았다. 진자의 움직임을 분석하려면, 단순히 직선 거리로 위치를 나타내는 것이 아니라, 기준선에서 몇 도나 기울어졌는가 하는 각도로 표현하는 것이 더 정확하다. 이는 진자가 원호를 따라 움직이기 때문이다. 진자의 위치, 속도, 가속도 등은 시간에 따라 계속 변하는데, 이러한 시간에 따른 각도의 변화는 수학적으로 삼각함수를 통해 효과적으로 설명된다. 특히 진자의 복원력, 즉 원래 위치로 되돌아가려는 힘은 단순히 일정하지 않다. 이 힘은 진자가 얼마나 기울어졌느냐에 따라 달라지며, 그 관계는 각도의 사인값에 따라 결정된다. 예를 들어, 진자가 많이 기울수록 복원력은 커지고, 거의 기울지 않으면 힘도 거의 작용하지 않는다. 이처럼 힘과 각도의 관계를 설명하려면 사인 함수가 반드시 필요하다. 또한 진자의 움직임은 일정한 패턴으로 반복되기 때문에, 이를 수학적으로 나타내기 위해선 주기적인 함수가 필요하다. 사인이나 코사인 함수는 대표적인 주기 함수로, 일정한 시간 간격마다 같은 값으로 돌아오기 때문에, 진자의 운동을 정확히 표현하는 데 이상적이다. 실제로 진자의 각도를 시간에 따라 그래프로 나타내면 사인파나 코사인파와 같은 형태의 곡선이 나타난다. 이는 진자의 움직임이 삼각함수의 성질과 완벽하게 일치함을 보여준다. 게다가 진자의 경로는 원운동의 일부이기 때문에, 반지름, 각도, 호의 길이와 같은 요소들이 중요해진다. 이 요소들 간의 관계도 모두 삼각함수로 설명할 수 있다. 결론적으로, 진자운동은 중력에 의한 복원력과 시간에 따른 각도의 변화로 이루어진 원운동의 일종이며, 이 모든 요소들은 삼각함수를 통해 수학적으로 표현된다. 따라서 진자의 물리적 원리를 정확히 이해하고 분석하기 위해서는 삼각함수가 필수적인 수학적 도구이며, 진자운동과 삼각함수는 서로 떼려야 뗄 수 없는 관계를 가진다.

마지막으로 이 내용을 요약해보자면 진자운동은 시간에 따라 반복되는 원호 운동으로, 위치와 힘을 각도로 표현해야 하며, 이 과정에서 각도와 주기성을 다룰 수 있는 삼각함수가 꼭 필요하다. 삼각함수는 진자의 위치 변화, 복원력, 주기성을 가장 정확하게 설명할 수 있는 수학적 도구다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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LNP는 주로 이온화성 지질, 콜레스테롤, 인지질, PEG 지질 등으로 이루어진 나노입자로, mRNA, siRNA 같은 핵산 치료제를 세포 내로 전달하는 데 널리 쓰인다. 세포로 들어간 LNP는 클라트린 매개 엔도사이토시스 등으로 인해 엔도솜에 갇히는데, 엔도솜 안에서 산성 환경에 노출되면 LNP의 이온화성 지질이 양전하를 띠게 된다. 이 양전하 지질은 엔도솜막의 음전하 인지질과 강하게 상호작용해 지질 혼합과 막 불안정화를 일으킨다. 이 과정에서 헥사고날 구조 같은 비이중층 지질 구조가 형성되어 엔도솜막에 구멍이나 융합이 일어나고, 이를 통해 탑재된 핵산이 세포질로 탈출한다. 일부에서는 LNP 내 이온화성 지질이 프로톤을 흡수해 엔도솜 내 삼투압을 높여 막을 파열시키는 프로톤 스펀지 효과도 거론되지만, LNP에서 이 효과는 고분자계 물질만큼 명확하진 않다는 지적도 있다. 결국 LNP의 엔도솜 탈출은 막 융합, 지질 혼합, 막 파괴 등의 복합적 과정으로 이루어지며, 이 과정의 효율은 mRNA 전달 성공 여부를 결정하는 핵심 요소다. 하지만 실제로 세포질로 탈출하는 비율은 매우 낮아(1\~2% 정도로 보고됨), 이를 개선하기 위한 지질 구조 최적화, pH 감응성 고분자 도입, 펩타이드 접합 등의 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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비누 기포 형성의 과학적 연구

1. 서론

비누를 이용한 세정 과정에서 발생하는 기포 형성은 일상적으로 관찰되는 현상이지만, 그 이면에는 복잡한 물리화학적 메커니즘이 작용하고 있다. 이번 탐구는 비누 농도와 임계미셀농도의 관계 규명, 물 온도가 세정 효과에 미치는 실제 영향 평가, 거품 생성 방법별 효율성 비교 분석, 물의 경도가 비누 효과에 미치는 영향 정량화이다.

비누는 친수성 머리와 소수성 꼬리를 가진 계면활성제로, 물과 공기의 경계면에서 표면장력을 감소시켜 기포 형성을 가능하게 한다. 마랑고니 효과는 거품의 자가 치유 메커니즘으로, 거품 표면의 일부가 얇아지면 표면장력 차이에 의해 주변에서 액체가 이동하여 두께를 회복시킨다. 이러한 배경은 비누 기포의 형성과 안정성을 이해하는 핵심 개념들이며, 이들 간의 상관관계를 정량적으로 분석하고자 한다.

2.본론

-비누 농도와 임계미셀농도 분석

결과:0.1-0.2% 농도에서 최적의 거품 형성이 확인되었다 (p<0.05). 이는 약 1-2×10⁻³ mol/L에 해당하는 임계미셀농도와 일치한다.

-물 온도의 영향 분석

결과: 온도 간 유의미한 차이가 없음을 확인하였다.

-거품 생성 방법별 비교

결과: 거품기 사용 시 더 작은 반지름으로 인해 이론적으로 100배 향상된 안정성을 보였으나, 실제 세정 효과는 손 비비기가 더 우수하였다.

-물의 경도 영향 분석

경수에서 발생하는 화학 반응: 2RCOONa + Ca²⁺ → (RCOO)₂Ca + 2Na⁺

걀과: 경수보다 연수에서 더 거품 형성도가 많다는 것을 확인하였다.

3.결론

실험을 통해 임계미셀농도 0.1-0.2%에서 최적 거품 형성을 확인하였고, 온도는 실제 세정 효과에 통계적으로 유의미한 영향이 없음을 규명하였다. 또한 손 비비기가 실용성과 세정 효과 측면에서 우수하며, 경수에서 30% 추가 비누 필요량을 정량화하였다. 이러한 결과는 일상생활에서의 효과적인 손 씻기 방법에 대한 과학적 근거를 제공한다. 적정량의 비누 사용, 편안한 온도의 물 사용, 충분한 손 비비기가 핵심이며, 경수 지역에서는 연수기 설치나 추가 비누 사용을 고려해야 한다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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재활용 섬유의 혼합 비율에 따른 강도 변화에 영향을 주는 또 하나의 중요한 요인인 재활용 방식에 따른 물성 차이에 대해 집중적으로 조사하였다. 일반적으로 재활용 섬유는 동일한 원료에서 만들어졌다고 해도, 그 제조 공정에 따라 섬유의 강도, 탄성, 질감 등 물성이 크게 달라진다. 오늘은 그 중에서도 대표적인 두 가지 공정인 기계적 재활용 과 화학적 재활용 방식의 차이점을 중심으로 자료를 수집하고 비교 분석하였다.기계적 재활용은 폐플라스틱이나 폐섬유를 잘게 부순 뒤 세척 하고 다시 녹여 방사하여 섬유로 만드는 방식이다. 이 방식은 공정이 비교적 단순하고 에너지 소비가 적으며, 비용이 저렴하 다는 장점이 있다. 그러나 열과 압력을 반복적으로 받는 과정에서 고분자 사슬이 손상되기 쉬우며, 그 결과 섬유의 길이가 짧아지고 결정성이 떨어지면서 강도와 탄성이 함께 저하될 수 있다는 단점이 있다. 반면 화학적 재활용은 고분자를 다시 단량체 수준으로 분해한 뒤, 이를 다시 중합해 새롭게 섬유를 만드는 방식이다. 이 경우 분자 구조를 거의 새 제품 수준으로 복원할 수 있어, 품질이 뛰어나고 강도도 유지되지만, 공정이 복잡하고 고비용이며, 화학물질 사용으로 인한 환경 문제도 함께 고려 되어야 한다.

이러한 두 방식의 차이는 단순한 생산 방식의 차이를 넘어, 실제 혼합 섬유의 강도에도 영향을 미친다. 예를 들어 같은 혼합 비율 이라도, 화학적 재활용으로 만든 재생섬유는 비교적 높은 강도를 유지하지만, 기계적 재활용 섬유는 낮은 강도를 보이는 경우가 많다는 것이 여러 논문과 산업 보고서에서 공통적으로 나타나는 경향이었다. 이로 인해 기업이나 연구소에서는 혼합 비율뿐 아니라 사용된 재생섬유의 '제조 방식'까지 고려하여 원단의 용도와 구조를 설계하는 것으로 확인되었다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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도시 열섬 현상을 완화하기 위한 환경공학 기술과 도시 설계 방안을 집중적으로 탐구하였다. 먼저 국내외에서 적용되고 있는 열섬 완화 기술을 조사한 결과, 대표적으로 쿨루프와 녹색 지붕 기술이 널리 사용되고 있음을 알게 되었다. 쿨루프는 태양광을 반사하는 밝은 색상의 지붕으로, 지붕 표면 온도를 낮추고 실내 냉방 부담을 줄이는 효과가 있으며, 녹색 지붕은 건물 위에 식물을 심어 증산작용과 그늘 효과로 열을 완화시킨다. 이 외에도 고반사 도로 포장, 도심 내 나무 식재, 벽면 녹화 등의 다양한 기술들이 존재하며, 실제로 서울시등은 이러한 기술들을 정책적으로 도입해 도시 열섬을 줄이기 위한 노력을 하고 있다. 이러한 기술 조사 내용을 바탕으로, 나만의 ‘미래형 친환경 도시 설계’를 계획해 보기로 하였다. 도시 내 주요 건물의 지붕을 녹색 지붕으로 설계하고, 도로를 고반사 재질로 바꾸며, 주요 도심 구역에는 바람길을 형성할 수 있도록 공원과 녹지를 배치하는 아이디어를 구상하였다.

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4~5일차에는 진자운동과 삼각함수의 다른 측면에 대해서 조사해보았다. 진자운동은 단순히 실에 매달린 물체가 흔들리는 현상처럼 보일 수 있지만, 그 안에는 다양한 종류와 복잡한 운동이 숨어 있다. 가장 기본적인 형태는 단진자로, 질량이 작은 추를 실에 매달아 흔드는 것이다. 이때 진자의 위치는 각도로 표현되며, 시간에 따라 반복되는 움직임이 나타난다. 이러한 반복적인 변화는 삼각함수를 통해 매우 정확하게 설명할 수 있다. 진자의 각도 변화는 일반적으로 코사인 함수의 형태로, 속도는 사인 함수의 형태로 표현되며, 이로 인해 전체 움직임을 수학적으로 예측할 수 있게 된다. 한편, 단진자 외에도 여러 형태의 진자가 존재한다. 예를 들어 물리진자는 막대나 판처럼 길이가 있는 물체 전체가 축을 중심으로 흔들리는 형태다. 이 경우에도 진자의 회전 운동은 각도와 관련이 있으며, 그 움직임을 분석하는 과정에서 역시 삼각함수가 사용된다. 더욱 복잡한 형태로는 이중진자가 있다. 이중진자는 하나의 진자 끝에 또 다른 진자가 연결된 형태로, 처음에는 삼각함수로 설명이 가능하지만, 시간이 지나면 매우 불규칙한 ‘카오스’ 운동을 하게 된다. 이처럼 진자의 종류가 다양할수록, 삼각함수를 활용한 분석도 더 깊어지고 복잡해진다. 진자의 위치뿐만 아니라, 속도와 가속도 또한 삼각함수와 깊은 관련이 있다. 진자가 가장 멀리 흔들렸을 때에는 속도가 0이고, 중심을 통과할 때 속도는 가장 크다. 이러한 속도의 변화는 삼각함수의 도함수 개념을 통해 표현되며, 주기적으로 반복되는 양상을 갖는다. 가속도 역시 진자의 위치에 따라 변하고, 이 역시 삼각함수를 통해 시간에 따라 분석할 수 있다. 또한 진자는 에너지 관점에서도 분석할 수 있다. 진자가 위쪽에서 멈춰 있을 때에는 운동 에너지는 0이고, 모든 에너지가 위치 에너지로 존재한다. 반면 진자가 중심을 통과할 때에는 속도가 최대가 되어, 에너지는 모두 운동 에너지로 변한다. 이와 같은 에너지의 전환 과정도 시간에 따라 반복되며, 삼각함수를 통해 위치와 속도의 변화를 표현함으로써 에너지의 변화를 수학적으로 설명할 수 있다. 진자운동과 삼각함수의 연결은 이론적인 분석에 그치지 않고, 실생활에서도 매우 다양하게 활용된다. 대표적인 예가 추시계인데, 일정한 주기로 흔들리는 진자의 특성을 이용해 시간을 정확하게 측정한다. 그 외에도 지진의 흔들림을 측정하는 지진계, 그네의 움직임, 음향기기의 진동판, 스마트폰의 기울기 센서 등도 진자의 원리를 바탕으로 만들어졌으며, 이 과정에서 삼각함수를 활용한 정밀한 계산이 이루어진다.

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해양 극피 동물 난자를 마이크로패브리케이티드 칩 내부의 다양한 기하형태 (삼각형, 타원, 직사각형)에 배치하여 세포 형태가 분열면 결정에 미치는 영향에 관해 분석한 연구에 따르면 세포 형태에 따라 분열 시 발생하는 물리적 장력과 당김력의 총합이 최소화되는 방향으로 분열면이 자리 잡도록 설계되어 있다.

연구 내용

분석 과정에서 세포의 핵은 세포의 질량 중심에 위치하며 인터페이스 동안 마이크로튜브에 의해 세포 모양에 따라 늘어나며, 이 신장 방향이 이후 스핀들과 분열면의 주요 축이 된다. 연구에서 마이크로튜브가 세포 내부 공간을 감지해 그 길이에 비례하는 끌어당김 당김력을 핵에 가한다고 가정한 간단한 수리 모델을 제안했다. 이 모델에서 마이크로튜브는 길어질수록 더 큰 힘을 발생시키며, 이 힘들의 합은 핵과 스핀들을 특정 방향으로 정렬하도록 유도한다. 수치 계산을 통해 분열면이 놓일 확률 분포를 예측한 결과 실제 실험에서 측정한 분열 각도와 높은 일치도를 보였다. 그리고 토크가 0이 되는 방형(안정 평형 위치)과 합당김력이 최대가 되는 방향이 분열면 방향과 동일하며, 이 각도에서 포텐셜 에너지가 최소가 된다는 사실을 수학적으로 입증했다.

결론적으로, 이 논문은 세포 형태에 따라 분열 시 발생하는 물리적 장력과 당김력의 총합이 최소화되는 방향으로 분열면이 자리 잡도록 설계되어 있다고 주장하며, 결국 이는 헤르트윅 법칙의 ‘장축에 수직 분열’ 현상이 에너지 최소화 원리에 기초함을 정량적으로 입증한 연구이다.

용어 정리

마이크로패브리케이티드: 매우 작은 구조물을 정밀하게 제작한 것

연구에서 세포의 형태를 인위적으로 조절해서 분열면이 어떤 방향으로 생기는지 관찰한것이기에 틀을 다양한 모양으로 만들어서 세포가 그 안에서 자라거나 준열하도록 유도함.

인터페이스: 세포 분열 전의 준비 단계 (세포 주기에서 분열기를 제외한 시기 전부)

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8) 세특에 반영되었으면 하는 내용(500자 미만으로 작성)

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8) 세특에 반영되었으면 하는 내용(500자 미만으로 작성)

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(예시) 자율적 교육과정 프로젝트에 참여하여 '❶’ 주제를 선정하고 스스로 ❹핵심 질문(~, ~, ~)을 만들어 답을 찾는 탐구활동을 수행함. 이를 위해 ❻~,~,~,~, 등의 핵심 키워드로 자료를 조사함. ❼참고도서(~, ~, ~) 책을 읽고, ❽독서활동을 통해~, ❾조사 및 사례 분석~ 등을 학습함. ❿나만의 특색 활동/ 해결 방안으로 ~를 제안함.

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4일차에는 앞서 진행한 물리적 원리 탐구, 수학적 모델링, 시뮬레이션 구현 결과를 종합적으로 정리하고, 이를 바탕으로 한층 깊이 있는 심화 탐구를 진행하였다. 2일차와 3일차에서 다양한 초기 속도와 발사 각도에 따른 궤적 변화를 분석한 결과를 그래프 위에 중첩하여 각 변수들이 운동 궤적에 미치는 영향을 직관적으로 비교하였다. 특히, 발사 각도와 초기 속도 외에도 중력 가속도 값을 임의로 조절하여 궤적 변화가 어떻게 달라지는지 추가 실험을 진행하였다. 이를 통해 중력 가속도의 크기가 궤적의 최고점과 도달 거리, 비행 시간에 미치는 영향을 직접 확인할 수 있었다.

또한, 단순한 포물선 운동 모델에 공기 저항과 같은 외부 저항력을 고려하는 방향으로 탐구를 확장하였다. 기본적인 저항력 개념을 조사하고, 이를 수학적으로 표현할 수 있는 간단한 모델을 찾아내어, 공기 저항이 있을 때 궤적이 어떻게 변화하는지에 대해 이론적으로 예측해 보았다. 공기 저항의 영향을 받는 경우 투사체의 최대 높이와 비행 거리가 감소함을 이해하고, 이를 다음 시뮬레이션 단계에 적용할 계획을 세웠다.

이와 더불어, 시뮬레이션의 시간 간격을 조절하면서 궤적의 정확도와 계산 속도 간의 균형을 맞추는 방법도 실험하였다. 시간 간격이 너무 크면 궤적이 부정확하게 나타나고, 너무 작으면 계산이 과도하게 오래 걸리는 점을 체험하며, 실제 모델링에서 고려해야 할 실용적인 측면도 경험할 수 있었다.

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지금까지 분석한 도시 열섬 현상의 원인과 완화 기술들을 바탕으로, 보다 넓은 관점에서 미래 사회를 위한 생태도시의 방향성과 기후변화 대응 전략을 탐색하였다. 단순히 도시의 온도를 낮추는 것을 넘어서, 지속 가능한 도시 환경을 조성하기 위해 어떤 요소들이 포함되어야 하는지를 중심으로 탐구를 진행하였다. 먼저 생태도시의 개념과 구성 요소를 조사하였다. 생태도시는 에너지 소비를 최소화하면서 자연 생태계와 공존할 수 있도록 설계된 도시로, 재생에너지 활용, 녹지 공간 확대, 친환경 교통수단 도입, 시민 참여 등 다양한 요소가 필요하다. 이러한 요소들은 도시가 기후 변화에 적응할 수 있도록 돕고, 동시에 온실가스 배출을 줄이는 데 기여한다. 이후 지금까지 구상해 온 도시 설계에 미래 기술을 접목하여 생태도시를 구상하였다. 예를 들어, 건물 외벽에 태양광 패널을 설치하여 에너지 자립률을 높이고, 빗물 재활용 시스템을 도입하여 물 부족 문제에 대응하며, 도심 곳곳에 온도,습도,대기질 센서를 설치하여 자동으로 에너지 사용을 조절하는 시스템을 추가한다. 또한 시민이 직접 참여하여 도시 내 녹지 공간을 확대할것이다.

이러한 통합적 생태도시 모델은 단순히 도시 열섬 문제를 완화하는 것에 그치지 않고, 기후 위기에 강한 회복력을 갖춘 지속 가능한 도시 구조를 제시한다. 이번 탐구를 통해 과학과 기술, 그리고 사회적 참여가 결합될 때 진정한 환경적 해결책을 마련할 수 있다는 점을 깨달았다.

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오늘은 수학적 모델링 기법을 활용하여 mRNA 백신 전달체의 체내 분포와 농도 변화를 정량적으로 분석하는 탐구를 진행하였다. 먼저 약동학의 기본 개념을 바탕으로 단일 구획 모델을 적용하여 백신이 혈중에 주입된 후 지수함수적 감소 곡선을 따라 소실되는 과정을 수식으로 표현하였다. 이를 통해 반감기, 최대 농도 도달 시간 등을 계산하며 시간에 따른 체내 농도 변화를 파악했다.

이어서 보다 복잡한 2구획 모델로 확장하여 혈액을 중심으로 한 중심 구획과 조직 구획 간의 확산 속도, 회수 속도, 체류 시간을 수치로 설정하고 시간에 따른 각 구획 내 농도 변화를 그래프로 도출하였다. 이러한 분석을 통해 LNP–mRNA 복합체의 순환 시간, 조직 침투 효율, 약효 지속 시간 등을 예측할 수 있음을 확인하였다.

오늘의 탐구를 통해 수학적 모델이 생명과학적 문제 해결에 실질적으로 적용될 수 있으며, 특히 백신의 용량 결정, 접종 간격 설정, 부작용 예측 등 다양한 분야에 응용 가능하다는 사실을 체감하였다.

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실생활 및 첨단 소재 응용 분야

나노기술 분야에서 계면활성제의 응용은 혁신적인 발전을 보이고 있다. 카본 나노튜브나 그래핀과 같은 탄소 나노소재의 수용액 분산에서 계면활성제는 필수적인 역할을 한다. SDS와 같은 계면활성제는 탄소 나노소재의 소수성 표면에 흡착하여 정전기적 안정화를 유도하고, 방향족기를 포함한 계면활성제는 그래핀이나 CNT의 π-전자 구름과 π-π 상호작용을 통해 더욱 강한 흡착을 형성할 수 있다. 이를 통해 고농도의 안정한 나노소재 분산액을 제조할 수 있다. 이러한 기술은 전도성 잉크, 투명전극, 복합소재 등의 제조에 핵심적으로 사용되고 있다. 실리카 나노입자의 경우에는 실란 커플링제와 계면활성제를 조합하여 표면 개질을 통한 분산 안정성을 확보하며, 이는 반도체 연마재, 화장품 첨가제, 의료용 진단 시약 등에 응용된다.

약물 전달 시스템에서 계면활성제의 역할은 더욱 정교하고 복잡하다. 리포솜은 인지질 이중막 구조로 이루어진 약물 전달체로, 친수성과 소수성 약물을 모두 봉입할 수 있는 장점이 있다. 리포솜의 크기, 안정성, 약물 방출 속도는 사용되는 인지질의 종류와 비율에 의해 결정되며, 특히 상전이 온도가 체온과 유사한 인지질을 선택하면 체내에서 온도에 의한 제어된 약물 방출이 가능하다. PEG로 표면 개질된 리포솜은 혈중에서 대식세포의 인식을 피하는 스텔스 효과를 나타내어 혈중 순환 시간을 크게 연장시킬 수 있다. 마이크로에멀전과 나노에멀전은 약물의 생체이용률을 향상시키는 중요한 제형으로, 특히 난용성 약물의 경구 투여에서 그 효과가 뛰어나다.

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혼합 섬유의 강도 변화에 대한 이론적 분석에서 한 걸음 더 나아가, 재활용 섬유가 실제 산업 현장에서 어떻게 활용되고 있는지에 대해 집중적으로 조사하였다. 이를 통해 이론 적인 탐구가 실제로 어떻게 적용되고 있는지를 확인하고, 탐구 주제의 현실적 가치와 진로와의 연결성을 구체적으로 이해할 수 있었다.

오늘은 주로 패션 산업과 기능성 섬유 분야를 중심으로, 국내외 기업들이 재생섬유 혼합 소재를 어떤 비율로, 어떤 용도로 활용 하고 있는지를 조사하였다. 대표적인 예로 글로벌 브랜드인 파타고니아와 나이키, 아디다스 등이 있다. 이들 기업은 RPET(재생 폴리에스터)와 순면을 혼합한 소재를 티셔츠, 자켓, 운동복 등에 사용하고 있으며, 그 혼합 비율은 보통 30:70 또는 50:50 수준으로 유지하는 경우가 많았다. 이는 재생 비율을 높이되, 내구성과 착용감을 동시에 고려한 결과로 보인다. 또한 국내 브랜드에서도 다양한 시도가 이루어지고 있었다. 친환경 패션을 강조하는 업체들은 재생섬유 비율을 높인 제품은 가방 안감, 실내용 슬리퍼, 커튼, 자동차 내장재 등 비교적 강도 요구가 낮은 용도에 활용하고 있었고, 고기능성 제품의 경우는 여전히 버진 섬유와의 혼합 비율을 낮추는 방식으로 접근 하고 있었다.

이와 같은 조사 과정을 통해, 실제 산업에서는 혼합 비율을 단순히 친환경성을 기준으로만 설정하지 않고, 사용 목적에 따라 강도, 탄성, 촉감, 흡습성 등 다양한 물성을 종합적으로 고려하여 비율을 결정한다는 점을 알 수 있었다. 특히 섬유 제품의 용도별 품질 기준에 따라, 혼합 비율의 임계값을 넘지 않도록 조절하며, 이것이 상업적 성공에 직결된다느 것이 인상 깊었다.

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어제 도출된 설문의 결과와 다양한 학술 자료를 종합하여 탐구활동을 종합해보는 시간을 가졌다. 디지털기술에서 소외되고 있는 인간의 정체성 문제에 관심을 가지고 이를 정보+국어과목에서 배운 내용들을 확장하여 나의 생각을 정리하는 PPT자료를 제작하고 있는 중이다. 현재 발표자료의 목차와 대략적인 근거가 되는 내용을 조직하였으며 내일 나의 주장을 명확히 할 수 있는 자료를 보완하여 융합적인 사고를 돕는 발표자료를 제작하려 한다.

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오늘은 일전에 차세대 배터리에 대해 탐구하다 알게 된 전기화학공학에서, 전하 전달 속도 결정 시 가하는 전압에 따른 전류 변화를 알아내는 버틀러-볼머 방정식에 대해 탐구해보기 위해 세종대학교 권경중 교수님의 관련 유튜브 강의 (전기화학공학 7장 Faraday's law & Butler Volmer equation - Kyungjung Kwon)을 시청하였다. 이를 통해 패러데이 법칙이 무엇인지를 알고, 관련 화학식을 통해 패러데이 상수를 유도하는 방법, 이를 이용한 화학 반응에서 방출되는, 혹은 흡수되어야하는 전류의 양에 대해 탐구함. 또 배터리의 전압을 이용해 이 값이 변할 시 전류는 어떻게 변동되어지는가를 알기 위해 버틀러-볼머 방정식이 도입되어졌다는 것, 그리고 이 버틀러-볼머 방정식이 전극을 빠져나왔던 물질이 전극과 부딪히기 전의 물질로 돌아가는 반응(역반응) - 물질이 전극과 부딪힌 후 이를 빠져나오는 반응(정반응)임을 의미하고, 버틀러-볼머 방정식은 교환 전류밀도(exchange current density)의 값이 클수록 값이 커진다는 것을 알게 됨. 그리고 영상 속 언급을 통해 이것이 연료 전지의 전압과 전류 사이의 상관관계를 알려주는 식임을 유추했고, 인터넷 조사를 통해 이를 확실히 밝혀냄

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8) 과세특에 반영되었으면 하는 내용(1500바이트 미만으로 작성하기)

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진자운동의 원리를 탐구하며 단순한 물리적 흔들림 속에 담긴 수학적 구조에 관심을 가졌고, 진자의 움직임이 각도와 시간에 따라 변하는 주기적 현상임을 이해하였다. 특히 복원력이 각도에 따라 달라지고, 그 관계를 삼각함수로 표현할 수 있다는 점에서 물리와 수학의 연결을 체감하였다. 단진자뿐 아니라 물리진자와 이중진자까지 확장하여 다양한 진자 유형을 비교하고, 복잡한 운동일수록 삼각함수의 역할이 커짐을 분석하였다. 진자의 속도, 가속도, 에너지 변화까지 삼각함수로 표현되는 과정을 이해하며 연계적 사고력을 키웠고, 실생활 속 응용 사례에 대해서도 탐구하였다. 시계, 센서, 음향기기 등 다양한 기술에 적용되는 진자 원리를 살펴보며 개념의 실용성까지도 함께 고민하였다. 단순 계산에 그치지 않고 원리 중심으로 문제에 접근하려는 태도를 보였으며, 탐구 내용을 발표와 글쓰기 활동에 적극 활용하며 학습 내용을 스스로 구조화하려는 노력을 보였다.

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포물선 운동을 중심으로 주제를 선정하고 물리 개념의 정량적 해석, 수학적 모델링, 그리고 컴퓨터 시뮬레이션을 융합하여 다단계의 심화 탐구를 수행함. 다양한 조건(초기 속도, 발사각)을 설정하여 각 경우의 궤적을 예측하고 운동의 변화를 계산하며, 비행 시간, 최고점, 도달 거리 등을 수식으로 직접 구하고, 이결과를 조건별로 그래프로 시각화하여 궤적의 차이를 분석하는 과정에서 수학과 물리 개념을 연결하는 능력을 보임. 특히 포물선은 초기 속도가 클수록 멀리 날아가고, 발사각이 45도일 때 도달 거리가 가장 길어진다는 사실을 수학적으로 증명하고, 이를 그래프로 확인하면서 물리 법칙에 대한 이해를 심화함. 탐구심을 바탕으로 수업 외 시간에 파이썬을 활용해 포물선 운동을 시뮬레이션으로 구현하고, 시간의 흐름에 따른 궤적을 그래프로 나타낸 자료를 수업시간에 발표함. 발표한 내용에 대해 동료들이 궁금증을 나타내면 내용을 상세하고 친절하게 설명해주어 동료들의 호응을 얻음. 물리 개념을 수학적으로 해석하고 이를 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현해내는 과정에서 융합적 사고력과 문제 해결 능력을 발휘함. 컴퓨터공학 분야에 대한 관심이 높고 과학적 탐구능력과 진로 역량이 뛰어난 학생임

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도시 열섬 현상을 주제로 지구과학2와 세계 문제와 미래 사회 과목을 융합하여 탐구를 수행함. 지표면의 알베도, 복사 에너지의 흡수와 방출, 대류 억제 현상 등 도시 열섬의 과학적 원인을 분석하고, 기상청 자료와 NASA의 열영상 데이터를 활용하여 도심과 외곽 간의 실제 온도 차이를 정량적으로 확인함. 탐구 과정에서 국내외 도시의 열섬 대응 사례를 조사하고, 쿨루프, 녹색 지붕, 고반사 포장 등 친환경 기술의 효과와 적용 방식을 비교 분석함. 이후 가상의 도시를 대상으로 도시 구조와 기후 데이터를 고려한 친환경 도시 설계안을 구상함. 마지막에는 생태도시 개념을 바탕으로 재생에너지 활용, 빗물 순환 시스템, 스마트 센서 기술 등 미래 기술을 설계안에 통합하고, 기후 위기에 대응하는 회복력 있는 도시 설계를 제시함. 과학적 개념을 실제 사회 문제에 적용하고, 데이터를 바탕으로 해결책을 도출하는 탐구 태도와 융합적 사고력을 잘 드러냄.

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생명과학2에서 생명공학기술 단원을 학습한 후 디지털 백신 및 나노입자백신 등의 차세대 백신 플랫폼에 흥미가 생겨 mRNA 백신의 면역 유도 기전과 지질나노입자(LNP)의 기능이라는 주제를 선정하고 이를 위해 mRNA, LNP, 면역기전, 엔도좀 탈출, 약동학 모델, 확산 방정식, 세계 보건 문제 등의 핵심 키워드로 자료를 조사함. 참고도서로는 ‘꿈의 분자 RNA(김우재)’ 를 읽고, 독서활동과 논문을 통해 분자 수준에서 mRNA 백신의 면역 반응을 이해하고 mRNA구조 최적화와 면역원성 조절 과정에 대해 탐구함. 이어서 LNP 전달체의 성분과 역할, 세포 내 전달과 엔도좀 탈출 메커니즘에 대해 탐구함. 나만의 특색 활동으로 LNP–mRNA 전달과 세포 내 확산 과정을 약동학 모델과 확산 방정식을 통해 정량적으로 해석하여, 전달효율 향상과 효율적 분포 예측에 활용할 수 있는 방안을 제안함

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2학년 때 천연 비누를 직접 제작한 이후, 비누가 물에 잘 녹고 풍부한 거품을 형성하는 현상에 대해 궁금증을 갖게 됨. 이에 계면활성제(비누)의 분자 구조가 물의 표면장력에 어떤 영향을 미치며, 외부 효과에 따른 거품 형성이 어떻게 달라지는지를 알고자 본 주제를 설정함. 계면활성제의 머리 부분이 클수록 분자 간 간격이 넓어져 미셀 형성이 어려워지고, 표면장력을 낮추기 위해 더 많은 양의 비누가 필요함을 이해함. 또한, 이중꼬리 구조는 기포막을 안정화시키지만 단일꼬리 구조가 세정력과 비용 면에서 일반 세정제에 더 적합함을 분석함. 더 나아가 CMC(임계 미셀 농도)와 거품 생성 방식에 따른 실험 조사를 통해, 사용된 비누의 CMC에서 가장 안정적인 거품이 형성되며, 손 비비기를 통한 기포 형성이 실용성과 세정력 측면에서 더 효과적임을 확인함. 이러한 탐구 과정을 통해 단순한 현상 이면에 숨어 있는 과학적 원리를 깊이 있게 이해하고자 한 호기심과 분석적 태도가 과학 탐구에 있어 중요한 자질임을 깨달음. 추가로 pH나 물의 경도에 따른 계면활성제의 작용 변화를 실험하며, 환경 조건이 물질의 기능성에 미치는 영향까지 과학적으로 고찰함.

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자율적 교육과정 프로젝트에 참여하여 '재활용 섬유의 혼합 비율에 따른 강도 변화'를 주제로 선정하고, 스스로 '혼합 비율과 제조 방식이 섬유의 강도에 어떤 영향을 주는가?'라는 핵심 질문을 설정해 탐구 활동을 수행하였다. 이를 위해 'RPET, 재생면, 재생나일론' 등 주요 재활용 섬유의 종류와 '기계적/ 화학적 재활용 방식'의 차이를 중심으로 조사하였고, 물성 차이에 따라 강도, 탄성, 내구성 등이 달라진다는 점을 확인하였다. 특히 섬유공학과 연계하여 '분자의 구조와 물질의 성질' 단원에서 배운 분자 구조, 결합력, 결정성 개념을 실제 산업 현장의 혼합 설계에 어떻게 적용하는지를 구체적으로 분석하였다. 또한 글로벌 브랜드 사례를 통해 혼합 비율이 단순히 친환경성에 기반하지 않고, 기능성•착용감•가격 등을 고려해 조정된다는 점도 알게 되었으며, 탐구 결과를 통해 과학•수학 융합적 사고와 진로 연계 탐구 역량을 심화시킬 수 있었다.

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5일 동안 화학 속 미시적인 것, '무엇이 완벽한 표본이다' 확정 못하는 것을 어떻게 수학적 표현하는가 조사. 수학 수행평가에서 고등학교 과정 수학의 화학 응용 방법을 조사했으나 심도 깊은 탐구 원해 주제 선정. 1,2,4~5일차엔 미시적인 것, 불확실한 것 정량화 수식으로 표현한 것 탐구. 이 과정에서 오비탈 전자 위치를 하이젠베르크 불확정성 원리 통해 확정지을 수 없음 입증, 파동함수 공간 상 좌표로 표현으로 물질파에서 주기적으로 변하는 함수, 이를 보른이 (파동함수 절댓값)^2를 입자 발견 확률로 해석, 부피 적분한 값 확률 밀도 함수임을, 이로 오비탈 모양 결정함을, 온도 평형 상태에서, 외부 자극 없을 시 반도체 중성임을 식으로 캐리어(정공, 전자) 농도와, 도펀트(도너, 어댑터) 농도의 합이 0으로 서술, 이를 질량 작용 법칙 식 이용한 변형으로 만든 식 이용해 도핑 농도 알고 이가 진성반도체보다 클 때, 진성반도체 농도 알 때 정공 값 구할 수 있음을, 전하 전달 속도 결정 시, 가하는 전압 따라 전류 변화 알 수 있는 버틀러-볼머 식 이해, 그 과정에서 패러데이 상수 탐구. 3일차는 더 큰 틀, 통계를 이용한 실험 오차 분석 탐구. 그 과정에서 정규 분포 곡선 신뢰구간 등 통계 이용해 단일 표본, 다수 표본(짝지어진 표본, 독립 표본) 값 오차 범위 규명에 사용, 실험 오차 최소화 위해 실험 과정 자세히 서술하는 등 노력을 실험 과정 속에서 기하고 있다는 것을 깨달음. 한 분야 편중되지 않고 주제 취지 맞게 넓은 분야 틀에서 글 쓴 것이 놀라움. 화학은 수학으로 미시적인 것들, 불확실한 것들을 규명, 이를 통한 표본 최적 값 계산 보고 수학 없으면 화학 발전 어려우리라 생각. 훗날 자율적 교육 과정 탐구 속 여러 화학 개념들을 분석, 완벽 이해를 소망함

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자율적 교육과정 탐구보고서

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30514 이동호 탐구보고서

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'자율적 교육과정 프로젝트'에 참여하여 세포 분열 중 방추사에서 관찰되는 헤르트비히 규칙에 대해 탐구함. 생명과학 시간에 세포 분열에 대해 학습하며 세포 내에서 분열 방향의 축을 형성하는 방추사에 대해 학습함. 이에 방추사의 형성에 따른 염색체의 배열이 규칙적일 수 있는 동력과 원리에 의문을 품음. 세포가 분열 과정에서 타원의 형태를 갖는다는 사실에 착안하여 탐구하던 중, 헤르트비히 규칙에 대해 알게되어 심화 탐구를 진행함. 다소 어려운 내용인 만큼 영어 논문인 'A cytokinetic ring-driven cell rotation achieves Hertwig’s rule in early development'을 번역하여 읽고 탐구를 진행하며, 자료를 분석하여 궁금증을 해결하는 능력의 향상을 보여줌. 더 나아가 이해한 내용을 학우들에게 설명해주기 위해 논리정연한 발표 자료를 제작하였으며 생소한 내용의 이해를 위해 간단한 용어와 다양한 이미지 자료를 활용하여 발표를 진행함.

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자율적 교육과정 탐구보고서_김수연

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자율적 교육과정 발표영상