액체처럼 유동(流動)하는 자석(자성유체 磁性流體) 이야기

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자기력(磁氣力, 磁力)은 중력(重力)처럼 대자연이 가진 강력한 힘이다. 자석(磁石 magnet)과 자기(磁氣, 자기력)에 대한 의문과 연구는 끝이 없다. 자석이란 자기장(磁氣場, 磁場 magnetic field)을 나타내는 물질, 즉 자성체(磁性體 magnetic substance)를 말한다. 자석은 철이나 니켈과 같은 물질을 끌어당기거나 반대로 배척하는 성질을 가졌다.

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자연계에 존재하는 자성을 가진 물질에는 자철광, 니켈, 코발트 등이 있다. 자석의 중요함을 알게 되면서 과학자들은 보다 자력이 강한 여러 종류의 영구자석을 연구했다. 영구자석은 근원적으로 자성을 가지고 있으며 그 자력은 영구히 유지되고, 일시자석은 외부로부터 자력이 미칠 때만(일시적) 자성을 갖는다.

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오늘날 이용되는 강한 자력을 가진 영구자석은 4종류가 있다.

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1) 보론철네오디뮴(NdFeB, neodymuim iron born) - 50 MGOe(자력의 단위)에 이르는 강한 에너지(자력)를 가진 자성체이며, 쉽게 부서지거나 부식(腐蝕)되지 않는다. 그러나 열이 50℃를 넘으면 자력이 감소한다. MGOe는 MegaGauss-Oersted의 약자이고, 간단히 ‘네오디뮴자석’이라 부른다.

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2) 코발트사마륨(SmCo) - 네오디뮴자석과 마찬가지로 강한 에너지(15-30 MGOe)를 가졌으며, 물리화학적으로 강하고, 300℃의 고온에서도 자력이 약해지지 않는다.

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3) 알니코(alnico) - 알루미늄, 니켈, 코발트의 합금으로 만든 영구자석이다. 스피커와 녹음기에 많이 사용하며, 내구성(耐久性)이 강하고 660℃에서도 자력이 강하게 나타난다.

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4) 페라이트자석(ferrite magne, 또는 ceramic magnet) - 산화철(자철광)과 바륨, 탄산스트론튬, 세라믹 등을 혼합하여 만든 영구자석이며 가장 흔하게 보는 자석이다.

 

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왜 자철광(磁鐵鑛)은 자력을 가졌나?

자연에서 산출되는 철광석은 몇 가지 종류가 있지만 대부분은 적철광(hematite)과 자철광(magnetite)이다. 이 중에 대부분을 차지하는 적철광(분자식 Fe2O3)은 자성이 없고, 자철광(Fe3O4)만 천연적으로 자력을 가졌다. 그러므로 과거의 영구자석은 자철광을 정제(精製)하여 제조했다. Fe2O3와 Fe3O4는 철과 산소의 수가 하나 다를 뿐이다. 그런데 왜 이 차이가 자성의 유무를 결정하게 하는지는 명확하게 알려지지 않았다.

 

 

자철광만 아니라 어떤 물질이라도 각 원자의 주변에는 전자가 있으므로 자장(자기장)이 생긴다. 자성이 없어 보이는 플라스틱이나 나무의 원자 주변에도 자장이 형성된다. 그런데도 자력이 나타나지(작용하지) 않는 것은, 원자들이 가진 자석(‘원자자석’이라 함)의 극(極, N과 S) 방향이 무질서 하기 때문에 자력이 서로 상쇄(相殺)된 결과이다. 그러나 자철광의 원자자석은 극의 방향이 질서 있게 배열해 있기 때문에 강한 자성을 나타낸다.

 

 

 

 

하나의 자석은 수많은 작은 원자자석으로 이루어져 있다. 만일 작은 자석의 N극과 S극의 방향이 흐트러져 있으면, 자력은 서로 상쇄되어 자성이 나타나지 않는다. 그러나 N극과 S극이 일정한 방향을 가지도록 하면 일시적으로 자성을 갖게 된다.

 

자철광은 세계 도처에서 산출되고 있으며, 자석을 만들 수 있는 중요한 지하자원이다. 왜 자철광이 자연계에 생겨났는지 이유는 확실하지 않다. 그러나 지구에 자철광이 존재한다는 것은 인류에게 너무나 다행한 일이다. 자석이 없다면 발전소의 발전기도 만들지 못하고, 오늘날의 전자기 시대를 열지 못했을 것이며, 나침반도 없을 것이다. 비둘기, 철새, 고래 같은 동물은 지구의 자력(지자기)을 감각하여 목적지를 정확하게 여행하는 것으로 알려져 있다.

 

 

 

 

대부분의 철광석이 자성이 없는 적철광이라는 것도 다행이다. 모든 철이 자성체라면 서로 자력이 작용하여 상상하기 어려운 불편이 발생할 것이며, 오늘날의 다양한 철기(鐵器)문명을 창조할 수 없었을 것이다.

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영구자석처럼 강한 자력을 가진 자성체에 대해서는 ‘페로자성체’(ferromagnetic material)라 하고, 자성을 갖더라도 자력이 약하면서 특수한 성질을 가진 자석을 ‘페리자성체’(ferrimagnetic material)라 한다. 페리자성체는 전자현미경, 디스크드라이브, 초전도자기부상열차 등에 이용된다.

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20세기 초까지만 해도 자연계의 자철광(Fe3O4)을 페로자성체라고 불렀다. 그러나 1936년에 프랑스의 물리학자 넬(Louis Neel 1904-2000)이 페리자성체에 대해 처음 보고하게 되었고, 이 연구로 그는 1970년에 노벨물리학상을 수상했다.

 

 

 

 

자성체의 자력은 1)자성체, 2)이온, 3)전류에 영향을 준다. 물리학에서 중요하게 다루는 전자기(電磁氣)는 이들의 상관관계이다. 위의 영상은 전류가 흐르는 전선 주변에 자기장이 형성되는 모양을 표현한다. 반대로, 전선 주변의 자기장이 움직이도록 하면 전선에 전류가 발생한다.

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액체처럼 유동하는 자성유체(ferrofluid)의 탄생

자연계에는 자성을 가진 액체 물질이 존재하지 않는다. 그런데 지금은 액체자석(자성유체)이라 불리는 어린이 과학실험 재료까지 판매되고 있다. 철을 지극히 작은 나노 크기의 입자(粒子)로 만든 것에 기름을 붓고 고속(高速)으로 휘저으면, 혼탁해 있던 철 가루는 바닥으로 침전하지 않고 기름 속에 균일하게 흩어진 상태로 있게 된다. 즉 무거운 철가루와 기름이 분리되지 않고 약간의 점성을 가진 검은색의 유체자석(자성유체)이 되는 것이다.

 

 

 

 

우유는 액체 속에 지극히 작은 단백질과 기타 물질의 입자가 균등하게 혼합된 교질(膠質 colloid) 상태이므로 입자들은 가라앉지 않는다. 그 이유는 입자들이 전하(電荷)나 자성을 가졌기 때문이다. 우유, 마요네스, 핸드크림, 혈액, 젤리 등은 교질 상태의 물질이다.

 

 

 

 

자성유체는 본래 자성을 갖지 않는다. 그러나 외부로부터 자력의 영향을 받으면, 마치 흙 속의 쇳가루들이 막대자석에 이끌리듯이 끌려오게 된다. 사진은 유리판 위에 검은 자성유체를 놓고, 그 아래에 자석을 가져가자, 자성유체 전체가 강한 점성(粘性)을 가지고 스파이크 형태를 취하며 곧추서게 된다.

 

 

 

 

자성유체 속의 철 입자는 무질서하게 흩어져 있다. 그러나 자력이 작용하면 중앙의 입자들처럼 배열하여 스파이크를 형성하게 된다. 이렇게 철 입자가 나란히 배열된 액체상을 ‘MR유체’(Magnetorheological fluid, MRF)라 하며, ‘스마트 유체’라는 별칭도 있다.

 

 

 

 

유리판 위에 자성유체를 올려두고 아래에서 자력을 작용하면, 유리판 위의 유체들이 스파이크를 형성한다. 고체의 가시처럼 보이지만 손가락으로 만지면 유체이기 때문에 손에 묻는다. 유체가 눈에 들어가면 위험하므로 곧 손을 잘 씻어야 한다.

 

 

 

 

자성유체가 스파이크를 형성하는 것은 막대자석에 끌려온 쇳가루가 곧추서는 이유와 같다. 쇳가루가 하나하나 독립적인 자석이 되어 서로 붙거나 반발하여 이런 형상이 나타난다.

 

 

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이러한 자성유체는 NASA의 과학자 파펠(Steve Papell)이 1963년에 액체연료를 연구하던 중에 처음으로 발명하게 되었다. 당시 그는 무중력 상태인 우주공간에서 로켓의 연료를 원하는 곳으로 공급하는 방법으로 자력을 이용하려 했던 것이다. 그의 발명 이후, 자성유체에 대한 연구가 활발해지고, 그것을 이용하는 여러 가지 방법이 알려지게 되었다. 그리고 드디어 2019년에는 매사추세츠 대학과 북경대학에서 영구적인 자성을 갖는 자성유체를 개발하는데 성공했다.

 

 

자성유체의 중요 용도를 보면, 하드디스크의 축을 회전하게 하는 유체, 마찰을 줄이는 방법, 대형 스피커, 의학에서는 MRI, 항체 분리 등에 이용되고 있다. 앞으로는 우주선의 추진제 첨가물, 마이크로 자석, 인공적인 미소(微小)중력 공간을 만들 때, 우주망원경 등에 이용될 전망이다. 유튜브에서 ‘자성유체 또는 Ferrofluid’를 입력하면 다양한 동영상을 찾아볼 수 있다. - YS

 

 

 

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