스토리 2021.04.20

미세먼지와 거품 비누에 공통점이 있다?! 생활 속 ‘콜로이드’ 찾기

“띠링띠링” 알람음에 핸드폰을 확인하니 “최악의 공기 질, 절대 외출하지 마시오”라며 방독면 이모티콘이 보인다. ‘미세먼지 480’이란 숫자를 다시 한번 확인하고 잠시 아이들을 등교시켜야 하나 싶은 고민을 해본다. 예전에는 특정한 계절에만 찾아오더니 최근에는 시도 때도 없이 나타나 문제를 일으키는 미세먼지(Particulate Matter, PM)는 눈에 보이지 않을 정도로 크기가 작은 먼지이다. 원래는 풍화 현상으로 인해 사막에서 발원하는 작은 모래 입자들이 주를 이루었으나 산업이 발달하면서 탄소 화합물, 금속성 물질, 질산이온(NO3–), 암모늄 이온(NH4+), 황산이온(SO42-)들이 주요 성분이었다가 최근에는 중금속 성분들의 함유량이 많아져서 건강에 더 해로워지는 추세이며 우리나라처럼 강수량이 한 계절에 주로 집중되는 지역에서 더 극성이다. 미세먼지와 초미세먼지라는 단어는 공기 중에 떠다니는 고체 입자의 지름을 기준으로 정의된다. 우리나라에서는 지름이 10μm(10,000nm)보다 작은 입자를 미세먼지(PM10)로, 지름이 2.5 μm(2,500nm)보다 작은 입자를 초미세먼지(PM 2.5/PM1)로 나눈다. 그런데 이 유해한 미세먼지와 미세먼지를 씻어낼 수 있는 거품 비누에는 공통점이 있다는 것을 아는가? 오늘은 거품 비누와 미세먼지의 공통점인 콜로이드에 대해 알아보도록 하자. 용액과 콜로이드의 차이점 ▲용액과 콜로이드 구조 비교 균일 혼합물인 용액(solution)은 크기가 1nm보다 작은 입자(용질, solute)들이 다른 입자(용매, solvent)들 사이에 골고루 용해되어 보이지 않게 된 상태로 전 구간에 걸쳐 조성이 일정하다. 보통 용액이라고 하면 액체에 고체가 녹은 설탕물(설탕+물) 등을 떠올리지만 소주(에탄올+물), 공기(질소+산소+아르곤 및 이산화 탄소 등등), 그리고 18K 금(순금 75%+은, 구리, 팔라듐 등의 다른 금속 25%)처럼 액체, 기체, 고체상까지 다양한 종류가 있다. 균일 혼합물과 불균일 혼합물 사이에 위치하는 콜로이드(colloid)란, 정상적인 용질 입자보다 큰 1nm~1,000nm 사이의 크기를 가진 입자들이 다른 물질에 분산(dispersing)되어 있는 상태를 말한다. 용액과는 다르게 분산질(분상상, dispersed phase)이라고 부르는 콜로이드는 입자의 크기가 커서 설탕물의 설탕처럼 완전히 녹아 들어갈 수가 없다. 즉, 다른 물질(분산매, dispersing medium)속에 단순히 섞여 있는 상태이므로 전 구간에 걸친 균일성이 떨어지는 특징이…
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스토리 2021.04.12

꾸-욱 누르기만 해도 전기가 생긴다? 우리 생활 속 ‘압전 효과’ 이야기

지금으로부터 약 10여 년 전, 부산지하철의 서면역에는 특이한 보도블록이 생겼다. 행인들이 그 위를 걸어 다니면 전기가 만들어지는 특수 보도블록이다. 지하철을 이용하는 시민들은 자신이 만든 전기로 스마트폰을 충전하고, 야구 게임을 즐기며 신기해했다. 비슷한 시기, 네덜란드에는 발을 구르며 춤추면 바닥에서 화려한 조명이 들어오는 댄스 클럽이 생겼다. 사람들이 열정적으로 춤추면 더 강렬한 불빛이 뿜어져 나와 사람들의 관심을 끌었다. 두 곳에서 선보인 기술의 공통점은 바닥을 눌렀다는 것. 바로 ‘누르는 압력으로 전기를 만든다’는 ‘압전 효과’를 활용한 것이었다. 그렇다면 압전 효과란 무엇이기에 발을 내딛기만 해도 전기를 만든다는 걸까? 분자 구조가 변하면 전기가 흐른다? 정압전 효과 VS 역압전 효과 압전 효과는 어떤 물질에 압력을 가했을 때 전기적인 변화가 생기는 현상을 말한다. 앞서 소개한 사례만 보면 최근에 밝혀진 새로운 현상일 것이라 생각할 수 있지만 그 역사는 무려 19세기까지 거슬러 올라간다. 프랑스의 물리학자 베크렐이 기계적인 압력과 전기적인 변화 사이에 상관관계가 있을 것이라고 예측한 뒤 마리 퀴리의 남편인 피에르 퀴리가 형인 자크 퀴리와 함께 처음으로 석영과 황옥 같은 광물에서 압전 효과를 확인했다. ▲ 압전 효과를 보여주는 모식도. A처럼 입자들이 서로 일정한 거리로 떨어져 정육면체를 이룰 때는 전기적 성질이 나타나지 않지만, B처럼 가로 방향으로 압력을 주거나, C처럼 양쪽으로 잡아 당기면 입자의 배치가 찌그러지면서 전기적 성질이 나타난다. 압전 효과가 나타나는 원리는 의외로 간단하다. 고체물질은 기본적으로 같은 모양을 한 분자 가 반복되는 구조로…
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스토리 2021.04.06

‘소인수분해’는 암호화를 위한 최고의 수학적 원리이다?

우리는 은행을 통해 돈을 이체하거나 환전하려면 수수료를 내야 한다. 심지어 거래하고 있는 은행의 내 돈을 다른 은행이 운영하는 ATM 기기를 이용하여 찾을 때도 비싼 수수료를 낸다. 반면 비트코인과 같은 가상화폐는 은행이나 환전소를 거치지 않고 당사자들끼리 직거래하기에 수수료가 낮거나 없다는 장점이 있다. 하지만 사이버 세계에서 직거래는 상품값은 치렀으나 상품을 보내주지 않는 것과 같은 사고와 사기의 위험이 따라서 가상화폐로 거래를 할 때는 반드시 거래에 대한 신뢰가 필요하다. 그렇다면 가상화폐를 암호화하는 방법에는 어떤 것이 있는지 알아보자. 정보를 암호화하는 두 가지 방법 컴퓨터와 같은 전자기기를 이용한 통신 환경은 허락받지 않은 공격자가 통신 중인 정보를 도청하여 변조하거나 다른 내용을 삽입 또는 삭제할 수 있다. 이런 문제점을 해결하는 가장 안전한 방법은 정보를 암호화하는 것이다. 암호화된 정보를 원래대로 되돌리는 것을 ‘복호(複號)’라고 한다. 반면, 우리가 보통 암호의 내용이 무엇인지 밝히는 것을 ‘해독(解讀)’이라고 하는데 해독은 중간에 정상적이지 않은 과정으로 암호문의 내용을 알아내는 것을 뜻한다. 정보를 암호화하는 방법은 크게 ‘비밀열쇠방식’과 ‘공개열쇠방식’이 있다. 비밀열쇠방식은 보내고자 하는 정보를 암호화할 때, 암호화하는 열쇠와 복호하는 열쇠가 서로 대칭이다. 즉, 정보를 보내는 쪽이나 받는 쪽 중에서 하나의 열쇠만 알면 다른 쪽의 열쇠를 알 수 있다. 예를 들어 a라는 정보를 보낼 때, 정보를 보내는 송신자는 a를 암호화하기 위하여 a에 3을 더하여 a+3을 만들었다면 송신자의 암호 열쇠는 (+3)이다. 또 정보 a를 받는 수신자는 a+3을 받았으므로 이것을 복호하려면 여기에 3을 빼야 한다. 그래서 (a+3)-3=a라는 정보를 받는다. 즉, 수신자의 복호 열쇠는 송신자의 암호 열쇠 (+3)의…
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스토리 2021.04.02

플랑크의 양자 가설을 빛에 적용하다! 빛의 정체를 밝혀낸 아인슈타인의 ‘광전 효과’란?

20세기 물리학의 발전에 가장 큰 기여를 한 과학자로 평가받는 아인슈타인의 가장 위대한 성과는 아마 상대성 이론일 것이다. 빛의 속도는 절대적이며, 시공간은 상대적으로 달라진다는 그의 이론은 과학계에 거대한 폭풍을 불러일으켰다. 하지만 놀랍게도 그는 상대성 이론으로 노벨상을 받지 못했다. 1905년 발표한 특수 상대성 이론과 그로부터 10년 후에 나온 일반 상대성 이론은 당시 너무 난해한 법칙이었기 때문이다. 대신 그는 1922년 광전효과로 노벨물리학상을 받았다. 이 효과의 발견이 노벨상을 받기에 충분한 업적이 아니었다는 뜻은 아니다. 일평생 광전효과만 연구하던 과학자가 말년에 정리된 성과를 바탕으로 노벨물리학상을 받았다면 상황은 달라졌겠지만, 단지 아인슈타인이 이루어낸 다른 연구 성과들이 대부분 과학계에 중대한 영향을 끼쳤을 뿐이다. 오히려 광전효과의 위대함은 상당히 저평가되어 있다. 빛으로부터 시작된 신비한 특성은 당연히 물리학에서 말하는 중요한 성과 중 하나의 축을 담당하고 있으며, 당시 빛에 대해서 과학자들이 갖고 있던 기존 학설을 반박한 혁신적인 생각이었다. 현대 물리학의 가장 큰 변화를 불러일으킨 양자역학의 발전에도 기여한 광전효과의 중요성은 결코 상대성 이론에 뒤지지 않을 것이다. 광전 효과란? ▲ 빛이 표면에 닿으면 전자가 에너지를 흡수하고 금속에 빠져나오는 현상인 ‘광전 효과’ 광전효과는 빛이 갖는 입자의 성질을 이용한 현상으로, 금속 판에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추면 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 물질의 원자는 원자핵과 음전하를 띠는 전자로 구성되며, 다시 원자핵은 양전하를 띠는 양성자와 전하가 없는 중성자로 나누어진다. 양성자와 전자는 균형을 이루고 있기 때문에, 양성자를 많이 갖고 있는…
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스토리 2021.03.25

[호기심 과학] 엘리베이터를 탔을 뿐인데, 몸무게가 변한다? 뉴턴의 운동 제1법칙, ‘관성’

물리학이란 말을 듣기만 해도 머리가 아프다는 사람이라도 사과가 떨어지는 것을 보고 만유인력의 법칙을 깨달았다는 과학자 뉴턴(Isaac Newton, 1642-1727)의 이야기는 알고 있을 것이다. 뉴턴은 우리가 생활 속에서 매일 경험하는 힘과 운동에 대해 설명하는 ‘관성, 힘과 가속도, 작용ㆍ반작용의 법칙’을 확립하였다. ‘관성의 법칙’은 뉴턴의 운동법칙 중에서도 ‘제1법칙’이다. 외력이 없을 경우 물체는 항상 등속직선운동 상태, 즉 일직선을 따라 같은 속력으로 움직이는 상태를 유지한다는 법칙이다. 즉, ‘관성의 법칙’에 따르면 힘을 받지 않으면 정지한 물체는 계속 정지해 있고, 운동하는 물체는 같은 방향과 속력으로 계속 운동한다. 버스가 움직이고 멈출 때 느껴지는 관성의 종류는? ▲ 버스가 급출발 할 경우, 탑승객들은 버스의 진행 반대 방향으로 ‘정지 관성’의 영향을 받는다. 버스에 탑승할 때, 우리는 온몸으로 정지 관성과 운동 관성을 경험할 수 있다. 일단 버스를 타고나면 정차상태에서 ‘부웅~’하고 출발하게 된다. 버스가 갑자기 출발하면 승객들의 몸은 일제히 출발하는 방향의 뒤쪽으로 몸이 쏠리게 된다. 바로 버스의 진행과 반대 방향으로 작용하는 ‘관성력’을 경험하게 되는 것이다. 누가 잡아당기는 것도 아닌데 버스에 탄 사람들이 모두 같은 방향으로 움직이는 현상은 버스가 정지 상태 일 때 탑승객 역시 정지하고 있기에 계속 정지해 있으려는 성질인 ‘정지 관성’이 적용되기 때문이다. ▲ 버스가 급정거할 경우, 탑승객들은 버스의 진행 방향으로 ‘운동 관성’의…
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트렌드 2021.03.17

로봇의 모습을 한 식물이 있다? 로봇의 변신에는 끝이 없다! ‘반려 식물 로봇’의 미래

신종 코로나바이러스 감염증-19(Covid-19) 사태가 해를 넘기면서 많은 사람들이  우울감을 호소하고 있다. 이른바 ‘코로나 블루’다. 이러한 우울감을 극복하기 위한 방법 중 하나로 관심을 받았던 것이 펫 플랜트(pet plant, 반려식물)이다. 식물 하나가 사람의 외로움을 달래 준다니 언뜻 이해가 안 될 수도 있다. 하지만 녹색 생명체가 주는 안정감은 상상 그 이상이다. 반려동물처럼 즉각적인 반응을 보이는 건 아니지만 식물 또한 주인이 어떻게 대하는가에 따라 시들기도 하고 병이 나기도 하고 활짝 꽃을 피우기도 하는 등 다양한 생체반응을 주면서 집 안에 활기를 준다. 애교 부리는 로봇 식물? 식물과 로봇이 결합되다 ▲ 식물의 광합성 신호를 해석해 움직이도록 만든 ‘HEXA’ 로봇 (출처: VINCROSS) 이러한 반려식물이 로봇과 합쳐지면 어떨까? 최근 반려 식물은 로봇과 결합된 모습으로 등장했다. 중국 로봇 벤처기업 빈크로스(VINCROSS)가 개발한 로봇 헥사(HEXA)는 식물의 생체 전기화학적 신호를 감지해 움직일 수 있도록 개발됐다. 식물을 모자처럼 쓰고 있는 이 로봇의 모습은 흡사 거미와 닮았다. 앉았다 일어났다 자유롭게 관절을 움직이는 헥사 로봇은 식물의 신호를 받아들여 광합성이 필요하면 스스로 햇빛이 잘 드는 곳으로 움직일 수 있다. ▲ HEXA 오리지널 로봇의 모습과 기능 (출처: VINCROSS 유튜브 채널) 컴퓨터 운영 체제 중 하나인 리눅스 기반의 오픈 소스 운영체계 소스로 만들어진 헥사 로봇은 평탄한 지면 외에도 바위나 계단도 능숙하게 오를 수 있다. 로봇의 몸체에 광센서와 적외선 송신기, 거리 측정 센서, 카메라를 부착한 덕분이다. 이뿐만이 아니다. 이 로봇은 주인의 공감을 얻기 위한 다양한 반응을 보여주는…
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스토리 2021.03.11

패러데이의 발견에 의해 가능해진 스마트폰 무선 충전?! ‘패러데이 전자기유도 법칙’ 알아보기

충전 패드 위에 스마트폰을 올려두면 자동으로 충전되는 ‘무선 충전 기술’은 이제 우리에게 너무나 익숙한 기술이다. 충전을 위해 전원 단자를 꽂을 필요도 없고 충전 단자가 고장 나서 케이블을 교체해야 하는 수고도 덜어주는 편리한 기술이다. 이 최신 기술이 복잡하고 어려운 기술이라고 생각하기 쉽지만 사실은 그렇지 않다. 무선 충전 기술의 원리 자체는 꽤 간단하고 오래전에 발명된 것으로, 19세기 물리학자 패러데이가 발견한 ‘전자기유도 현상’이 이 원리를 설명할 수 있다. 패러데이 법칙이 관성의 법칙이라고? 버스가 붕~하고 출발하면 갑자기 출발한 버스 때문에 승객들이 뒤로 넘어지게 되는데 이는 관성의 법칙을 설명할 때 가장 흔히 드는 생활 속 예이다. 덕분에 많은 사람들이 뉴턴의 관성 법칙을 쉽게 이해한다. 그런데 전자기학에도 관성의 법칙이 있다면 믿어지겠는가? 그것이 바로 패러데이 법칙으로 설명되는 전자기 유도 현상이다. 패러데이 법칙은 영국 국민으로부터 가장 존경받는 물리학자 마이클 패러데이에 의해 1831년에 발표된 법칙으로 오늘날 다양한 곳에서 쓰이는 생활 속에서 없어서는 안 될 위대한 원리다. 패러데이는 자석과 코일을 이용한 실험을 통해 신기한 현상을 발견했다. 금속 코일 속으로 자석을 넣거나 빼면 전기가 흐르는 모습이 관찰됐고, 자석을 더 빠르게 움직이거나 코일을 많이 감을수록 전기의 발생량이 증가했다. 이러한 현상을 ‘전자기 유도 현상’이라고 부르는데, 이러한 현상은 왜 발생하는 것일까? ▲ 전자기 유도 실험 (출처:…
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트렌드 2021.03.03

상상이 현실이 되다! 가상과 현실이 만나는 곳, 메타버스(Metaverse)

예전 서울 신촌에 있는 독수리 다방에서는 온라인 동호회 오프라인 모임이 자주 열렸다. 그곳에 나가 친구를 기다리다 보면, 옆자리에서 재미있는 이야기가 들려올 때가 많았다. 특히 리니지나 월드 오브 워크래프트 같은 온라인 MMORPG 게임 사용자들이 나누는 대화가 기억에 남는다. 그 사람들은 게임 속에서 겪은 일을 마치 현실에서 일어난 일처럼 얘기하고 있었다. 지금 이런 이야기를 하면, 그게 왜 신기해? 하고 볼 사람이 많다. 게임이나 인터넷에서 겪은 건 진짜 경험이 아니라고 말하던 시대는 이제 지났다. 메타버스의 등장 인터넷 공간에서 아바타 모습으로 사람을 만나는 건 이제 익숙하다. 음성 채팅까지 나누면 실감은 배가 된다. 예전에 피시방에서 친구들과 함께 게임을 할 때나 느낄 수 있었던 기분을, 이젠 내 방에 앉아서 느낀다. 가상과 현실이 다르지 않다면, 아예 가상에서 살 수도 있지 않을까? 이런 상상을 대놓고 펼친 SF 소설이 닐 스티븐슨이 쓴 ‘스노 크래시(1992)’다. 모든 권력이 민영화된 세상에서, 시민들은 진짜 같은 경험을 할 수 있는 가상 현실 공간 ‘메타버스’를 ‘아바타’ 모습으로 이용한다. 영화 ‘레디 플레이어 원’에서 보는 것처럼 이제는 흔한 소재가 되었지만, 1992년에 이런 생각을 한 사람은 별로 없었다. 나오자마자 많은 개발자에게 영감을 줬고, 이 아이디어를 바탕으로 만들어진 게임이 연이어 나오게 된다. 2003년 출시된 세컨드 라이프는 대놓고 스노 크래시에서 영향을 받아 만들었다고 말하는 서비스다. 린든 랩에서 제작한 3D 소셜 네트워크 서비스로, 이용자는 이 안에서 친구를 사귀고 연애를 하고 사업을 할 수 있다. 또한 린든 달러라는 가상 화폐가 있어서, 가상 아이템을…
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스토리 2021.02.24

[호기심 과학] 숟가락은 오목거울도, 볼록 거울도 될 수 있다? 생활 속에서 만나는 빛의 반사와 굴절의 원리

직진하던 빛이 물체에 닿아 되돌아 나오는 현상을 ‘빛의 반사’라고 정의한다. 한편, 빛이 서로 다른 물질의 경계면에서 진행 방향이 꺾이는 현상을 ‘빛의 굴절’이라고 한다. ‘빛의 반사’는 ‘거울’에서, ‘빛의 굴절’은 ‘렌즈’를 통과하면서 일어나게 된다. 잘 찾아보면 우리 생활 곳곳에 빛의 반사와 굴절의 원리를 경험할 수 있는 물건들이 대단히 많다. 아침에 일어나서 세수를 하기 위해 욕실에 가면 세면대 위에는 좌우가 반대로 보이는 평면거울이 내 모습을 반사하여 보여준다. 그리고 아침밥을 먹기 위한 식탁에 놓여있는 숟가락은 볼록 거울 겸 오목거울이 된다. 오늘은 생활 속에서 만나는 빛의 반사와 굴절의 원리를 알아보도록 하자. 볼록거울과 오목거울의 차이점은 무엇일까? ▲ 국자의 볼록한 면으로 본 모습(좌) – 볼록거울로는 항상 작고 똑바로 된 상만 보인다. 국자의 오목한 면으로 본 모습(우) – 먼 거리에서 오목거울을 보면 거꾸로 된 상을 볼 수 있다. 숟가락의 바깥쪽 볼록한 면을 보자. 그러면 자신의 상반신 전체와 주변의 물건들이 모두 보이는 것을 관찰할 수 있다. 볼록거울을 통해서 보면 항상 실제보다 작고 똑바로 되어있는 상들만 보여 범위를 넓게 볼 수 있는 장점이 있다. 이러한 볼록거울은 자동차의 사이드미러와 상점의 도난방지 거울로 활용된다. 볼록거울에선 거꾸로 된 상은 절대로 볼 수가 없다. 만약 볼록거울로 거꾸로 된 상이 보인다면 자동차의 사이드미러로 절대 활용될 수 없을 것이다. 상상해보자. 운전을 하다 뒤를 확인하기 위해 사이드미러를 보았는데 세상이 뒤집어져 보인다면, 바로 교통사고로 이어질 수 있을 것이다. ▲…
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스토리 2021.02.16

우리의 상식을 깨는 현상이 있다? 물 분자가 만들어 내는 신비한 힘, ‘음펨바 효과’

너무 당연한 일이라고 생각했던 것이 팩트가 아니라고 밝혀지면 우리는 당혹감을 느낀다. 그러나 상식을 깨는 사실을 아는 것은 꽤 재미있는 일이기도 하다. 오늘은 우리의 상식을 깨는 과학적인 현상 하나를 소개하려고 한다. 바로 따뜻한 물이 차가운 물보다 오히려 더 빨리 얼게 되는 ‘음펨바 효과’라고 불리는 현상이다. 그럼 지금부터 이 현상이 우리가 생각하는 것과 어떻게 다른지 살펴보자. 아프리카 탄자니아 중학생의 이름을 딴 ‘음펨바 효과(Mpemba effect)’ 1963년 아프리카 탄자니아의 한 고등학교에 어느 물리학자가 초청받아 강연하러 갔을 때의 일이다. 강연이 끝나고 질문을 받는 시간이 되자 학생 중 한 명이 손을 들어 질문했다. “중학교 요리 시간에 아이스크림을 만드는 시간이 있었어요. 따뜻한 상태의 아이스크림 재료를 덜 식힌 것과 미리 만들어 식힌 것을 냉장고에 같이 넣어두었더니 덜 식혔던 따듯한 쪽이 오히려 먼저 얼었습니다!” 이 학생은 그 현상이 신기해 이후에도 미리 식힌 것과 덜 식힌 것을 같이 냉장고에 넣었지만, 항상 온도가 높은 것이 먼저 얼었다고 했다. 아무리 생각해 봐도 이해가 되지 않았는데 마침 물리학자가 강연을 하러 왔으니 그 원리가 무엇인지 물어본 것이다. 주변의 학생들과 선생님은 음펨바(Erasto Mpemba) ‘네가 뭘 잘못한 것 아니냐’라고 하며 말도 되지 않는 이야기라고 놀렸다. 그러나 질문을 받은 물리학자 데니스 오스본 (Denis Osborne)은 달랐다. 오스본은 자신이 실험을 다시 해본 후 왜 그런 것인지 알려주겠다고 한 뒤에 실제로 실험을 했고 음펨바와…
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