제 15 회화학탐구프런티어페스티벌제안서 팀명 : Stem-on-Mars ( 소속고교, 성명등개인정보는기재를금합니다 ) 탐구주제 : 사이클로이드의관 (column) 과모세관현상의관계를통한우주식물의줄기특성탐색 1. 탐구동기 현실은 SF 영화의세계와멀리있지않은것같다. 최근에우리는마션 (Martian) 이라는영화를인상깊게보았는데, 이영화는마치곧우리인류가다른행성으로나아갈것을보여주는것같았다 ( 그림1 왼쪽 ). 이영화에서인상깊었던장면은주인공이화성에갇혀식량확보를위해감자를재배하는장면이었다. 실제로찾아보니, Wamelink 연구팀 (2014) 은달과화성의흙을채취하여지구에서모의식물재배를하였고, 식물영양학적측면에서가능성을보여주었다 ( 그림1 오른쪽 ). 하지만, 중력에대한요인은고려하지못했다고말한다. 우주는만류인력의법칙에따라지배되기때문에, 행성의질량이다르면중력에도차이가난다. 화성은지구보다가벼워서지구중력의 38%, 즉 3.711m/s 2 정도의중력가속도를갖는다. 지구와다른중력의환경이식물의생장에영향을줄것이라는가설이제안되고있다 (Petranek, 2015). 과연, 중력이다른화성에서도식물이잘자랄수있을까? 그림 1. 영화 마션 의한장면 ( 왼쪽 ) 과화성에서식물을재배하기위한모의재배실험 ( 오른쪽 ) 그림출처 : https://www.huffingtonpost.kr/bruce-bugbee/story_b_8272534.html 그림출처 : http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0103138 인류가다른행성을개척하는것을테라포밍이라부른다. 테라포밍에는초기생태계의형성하기위해극한환경에서도생존하는식물이필요하다. 현재의유전공학기술은다양한모양과특성을갖는식물을새롭게탄생시킬수있다. 하지만, 테라포밍에적합한식물을만들기위해무작정다양한식물을만드는것은비효율적인접근이될것으로추측된다. 행성의특성에따른식물의외형적특성과식물영양학적특성에관한탐구들이선행되어야후에연구자들이테라포밍에적합한식물을개발하는데타당한가설을세울수있을것만같았다. 지금까지테라포밍을위한식물에관한연구는식물영양학적인접근에초점을두고수행되었으며, 1 팀명입력란입니다.
반면에식물의외형적인특성에대한탐색은드물었다. 식물영양학은충분한영양분을제공했을때, 우주에서도식물이자랄수있음이입증되는데큰역할을하였다. 하지만, 우주공간에서식물을재배할때식물의생장은약한중력으로인해더딘것으로보고되고있으며, 이를극복하는방안에관한탐구는크게이루어지지않았다. 한편, 식물의체내에서물의이동은뿌리압, 잎의증산작용, 관다발내물관의모세관현상에의해일어난다. 모세관현상은표면과용매사이의부착력과용매간응집력으로인해일어나는것으로알려져있는데, 이때부착력과대립하는요인이바로중력이다. 이에우리는식물생리학적측면에서식물내모세관의외형적인특성이식물의생장에영향을주는데매개할것이라가설을세웠다. 이러한설명체계의타당성을확보하기위해모세관현상을실험해보고자하였다. 나아가, 우주에생존하기위한식물 ( 모세관 ) 의외형적특성을탐구하기위해여러가지물리적인외형특성을탐색해보고자하였다. 세부적으로, 물의상승을증가시키거나감소시키는모세관의물리적, 화학적성질에관하여탐구해보고자하였다. 2. 이론모델및탐구목적 모세관현상에영향을주는물리적인조작변인에관의모양이제안될수있다. 예컨대, 직선, 대각선, 곡선, 사이클로이드선 ( 정곡선과역곡선, 그림3 참고 ) 등의관의모양은모세관현상의세기에변화를일으킬것으로추측된다. 특히, 사이클로이드선은최단강하선으로알려진수학적인곡선이기때문에, 이것에대한모세관현상의탐구는흥미로울것같다 ( 그림2). 물체가일정한중력가속도로하강할때, 최단강하선이가장빠른것으로알려져있다. 거꾸로, 모세관으로물이상승할때에는최단강하선이어떠한영향을미칠지는알려지지않았다. 그림 2. 사이클로이드곡선 ( 왼쪽, 최승언, 2017) 과이것의최단강하선 ( 오른쪽, 수정함 ) ( 오른쪽그림의출처 : http://news.hankyung.com/article/2014052859891) 가설적으로제안하자면, 사이클로이드곡선과사이클로이드역곡선은모세관현상에서부착력과중력사이의영향력의비중에영향을줄것같다 ( 그림 3). 전자는중력의비중을높여주고, 후자는부착력의비중을높여줄것같다. 이에본탐구에서는사이클로이드곡선을물리적변인에관한조작변인중하나로설정하였다. 그림 3. 사이클로이드정곡선과역곡선 화학적성질로는관내부에표면화학적코팅을통해표면에너지를조작해보는것과, 용액의이온조성에따라부착력이달라지는정도를실험해볼수있다. 표면화학적코팅은용매와관표면사이의응집력을조절하게하는화학적변인으로서, 초소수성코팅과초친수성코팅이있다. 초소수성코팅은부착력을최소화함으로써, 물방울이마치연꽃잎에있는것처럼동글동글한방울을형성할수있게해 2 팀명입력란입니다.
준다. 이는비록부착력은감소시키지만, 물방울사이의응집력을상대적으로강하게만들어주는효과를나타낸다. 초소수성코팅제의탄생도사실상연꽃잎에대한자연모사기술로부터탄생한것이다. 반면에초친수성코팅은물방울과표면사이의부착력을극대화함으로써물이표면에달라붙어물방울과표면사이의접촉각을거의 0도에가깝게만든다. 또한, 초친수성코팅은젖음성 (wetting) 을극대화시키기도한다. 또한, 용액의이온조성에따라서모세관에대한부착력이달라질수있으므로다양한이온조성용액을만들어서모세관의벽면에대한부착정도의차이를알아볼수있다. 그림 4. 친수성, 소수성, 초소수성에대한이론모형 ( 그림출처 : http://m.post.naver.com/viewer/postview.nhn?volumeno=6943783&memberno=29922182) 요약하자면, 본탐구의목적은모세관현상의조절을위해관의물리적, 화학적변인을탐구하는것이다. 이것을달성하기위하여다음과같은연구문제를선정하였다. 1) 3D프린터를이용하여사이클로이드을비롯한물리적특성이모세관현상에어떤영향을주는지조사한다. 온도에차이를두고, 실험을반복하여수행해본다. 2) 타이곤튜브를코팅하여초친수성, 초소수성코팅물질이모세관현상에어떠한영향을주는지, 용액의이온조성에따라모세관현상에어떠한영향을주는지조사한다. 온도에차이를두고, 실험을반복하여수행해본다. 3) 우주식물로제안되는식물 1종 ( 예, 토마토 ) 을선정하여, 유사-물리적, 화학적처리를실시해보고, 이때상승하는수분의양을측정한다. 3. 탐구내용및방법 3.1 탐구의절차우리의연구는아래그림과같이 4가지단계로구분되며, 첫번째단계와두번째단계는이미수행중이다. 첫번째단계는자료수집및관련이론조사단계이며, 이때구글및한국교육학술정보원을중심으로논문및관련이론을조사하였다. 둘째, 실험설계하기단계에서는가설-연역적모형에기반을두고, 연구문제와관련된변인에대하여변인통제를실시하였다. 그리고실제실험수행에필요한실험도구및재료의가격및접근성을탐색하였다. 셋째, 추후변인설정에따라실제실험을수행할예정이며, 중요한관찰내용은사진촬영과함께연구노트에기록할예정이다. 넷째, 실험수행에서수집된자료를이용해서분석을실시할예정이며, 이러한분석으로부터특정패턴을발견할예정이다. 이후, 결론을내리고연구보고서를마무리할예정이다. 한편, 아래에는앞서제시한연구문제와관련된실험을 3가지로구분하여제시하였다. 자료수집 및관련이론조사 실험 설계하기 실험을수행하고 관찰하기 결과분석및 패턴발견하기 그림 5. 탐구의절차 3.2 실험 1 : 모세관현상에영향을미치는물리적변인탐색 [ 사이클로이드곡선포함 ] 3 팀명입력란입니다.
Ÿ 준비물 : 타이곤튜브 ( 아래그림참조 ), 철사 ( 또는 3D 프린터 ), 수조, 카메라, 자 그림 6. 3D 프린터 ( 왼쪽 ) 과타이곤튜브 ( 오른쪽 ) ( 오른쪽그림출처 : http://sant.co.kr/product/ 타이곤튜브 /16/) Ÿ Ÿ 실험내용 : 타이곤튜브를철사에감싼후, 사이클로이드곡선을비롯한여러모양을만들고, 이를이용하여모세관현상을실험한다. 이때, 타이곤튜브의지지를위해 3D프린터를이용하여보다정밀한지지대를제작하는과정도병행할예정이다. 참고로, 타이곤튜브를선정한이유는투명도가높기때문이다. 한편, 이실험에관한변인통제계획은다음과같다. 변인통제 변인의종류조작변인통제변인종속변인 내용모세관의모양 ( 직선, 사이클로이드정곡선, 역곡선등 ), 온도모세관의두께를비롯한모든외부환경요인육안관찰및자를이용한길이측정 3.3 실험2 : 모세관현상에영향을미치는화학적변인탐색 [ 내부코팅, 용액이온조성 ] 가. 실험2에대한이론모형실험1의결과를기반으로, 모세관의모양 3가지를선정하여실험을수행하고자한다 ( 그림 7). 여기에서는각각에코팅제를가했을때, 물의상승을측정하고, 기록할예정이다. 초친수성코팅은부착력을증가시키기때문에, 모세관현상을촉진시킬것으로추측된다. 반면, 초소수성코팅은부착력을감소시키기때문에분자의응집력에의해모세관현상이나타남으로써, 모세관의모양요인에영향을크게받을것으로기대된다. 또한, 용액의이온조성에따라모세관현상의효과를알아볼예정이다. 그림7. 실험2에대한실험모형예시나. 실험내용 Ÿ 준비물 : 초친수성코팅용액 ( 차량용 ), 초소수성코팅용액 ( 차량용 ), 여러이온조성의용액, 수조등 Ÿ 실험내용 : 시중에판매중인초친수성코팅제와초소수성코팅제중, 성분이공개된제품에한정하여분석하여, 타당하다고여겨지는제품을선정한다. 이들을이용하여타이곤튜브를관찰할예정이며, 카메라를통해확대하여정밀하게살펴볼예정이다. Ÿ 변인통제 4 팀명입력란입니다.
변인의종류조작변인통제변인종속변인 내용타이곤튜브코팅을위한물질의종류, (+ 모세관내충전제 ), 다양한이온조성용액모세관의두께를비롯한모든외부환경요인육안관찰및자를이용한길이측정 3.4 실험3 : 실제식물의관다발에서일어나는모세관현상의물리적, 화학적변인탐색가. 관다발식물의관찰방법조사하기이단계에서는물관을쉽게관찰할수있는방법론을조사하고자한다. 특히, 관찰의용이성을위해물관을손쉽게염색하는방법론을선정하고, 이를기반으로모세관현상에영향을미치는요인 ( 위실험으로부터얻은결과 ) 을적용해볼예정이다. 그림. 옥잠화의물관의염색사례 ( 그림출처 : http://egloos.zum.com/yonggulee/v/2034219) 나. 물리적, 화학적변인에따른식물의모세관현상관찰하기실제식물을잉크가담긴물에담궈두고, 물리적, 화학적변인에따라일정시간이후, 얼마만큼물을끌어올리는지를관찰하고자한다. 물리적성질은외부지지대로, 화학적변인은주사기바늘을이용하여식물내에주입해보고자한다. 이것의관찰결과는카메라로촬영할예정이며, 정량적인결과는연구노트에기록할계획이다. 4. 예상되는결과 ( 기대효과 ) 본연구의목적은모세관의상승을촉진하거나경쟁하는물리적, 화학적변인을탐색하는데있었다. 모세관이보다친수성일수록, 표면와용매사이의상호작용 ( 부착력 ) 이증가하여모세관현상이촉진될것같다. 반면, 소수성일수록모세관의모양에크게영향을받을것으로예상된다. 모세관현상에서중력가속도가어떤영향을미치는지에대해서는이미수학적으로계산되어있다. 인류가다른행성으로이주할때, 서로다른중력에서식물을재배하고자할때에는모세관효과요인도고려되어야할것이다. 본연구의결과는추후유전공학기반우주식물의개발에기여할것으로추측된다. 구체적으로, 어떤식물이서로다른중력의환경에서잘생존할수있는지물리적, 화학적변인을타당하게제안함으로써, 우주식물개발에있어서유전공학적전략을제시해줄것으로기대된다. 참고문헌 김정철, 김호영. (2013). 각진종이에서의모세관오름현상. 대한기계학회춘추학술대회, 3987-3991. 최민재, & 김희태. (2015). 물과에탄올에대한모세관상승측정. 대한기계학회 70 주년학술대회. 이석종, 성재용, 이명호. (2013). 마이크로원형모세관에서계면이동현상의측정. 한국생산제조학회지, 22(1), 15-21. 박창근, 선우중호. (1993). 비포화흐름에서모세관이력현상모형의고찰. 대한토목학회논문집, 13(4), 131-140. Petranek, S. (2015). How We'll Live on Mars. Simon and Schuster. Wamelink, G. W., Frissel, J. Y., Krijnen, W. H., Verwoert, M. R., & Goedhart, P. W. (2014). Can plants grow on Mars and the moon: a growth experiment on Mars and moon soil simulants. PloS one, 9(8), e103138. http://egloos.zum.com/yonggulee/v/2034219 ( 인용날짜 : 2018.03.29.) http://www.sciencetimes.co.kr/?news= 화성에서 - 감자 - 농사 - 진짜 - 가능할까 / ( 인용날짜 : 2018.03.29.) https://www.huffingtonpost.com/entry/growing-food-mars_us_56e1f3afe4b0b25c91815bea ( 인용날짜 : 2018.03.29.) https://www.huffingtonpost.com/bruce-bugbee/the-martian-farming-on-mars_b_8229566.html( 인용날짜 : 2018.03.29.) 5 팀명입력란입니다.