결정성 물질과 비결정성 물질

SCIENCE WAVE

 

 

물리화학에서는 결정성 물질과 비결정성 물질에 대한 용어가 수시로 등장한다. 철, 은, 구리, 납, 소금, 얼음 등의 물질은 고체일 때 그들의 원자나 분자는 기하학적으로 정연한 결정체 모습이다. 이런 물질은 ‘결정성 물질’(morphous materials)이라 하고, 반면에 유리, 플라스틱 등의 물질은 고체이지만 결정체가 아니므로 비결정성 물질(amorphous materials) 또는 비정질(非晶質) 물질이라 한다. 대표적 비결정성 물질인 유리와 플라스틱은 인류의 삶을 편리하게 만들어 주었다.

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유리(glass)는 너무나 유용한 비결정성 물질

두 종류의 물질 사이에는 물리화학적으로 특별히 중요한 큰 차이가 하나 있다. 예를 들어 철과 같은 결정성 물질은 1기압 조건에서 1,535℃가 되면 고체에서 액체 상태로 변한다. 얼음이라면 0℃, 납이라면 327℃가 바로 그들의 녹는점(melting point)이다. 그러나 유리, 플라스틱, 폴리머와 같은 비결정성 물질은 녹는점이 일정하지 않다. 이들은 온도를 높여가면 유동적인 반고체 상태로 되었다가 서서히 전체가 액체로 변한다.

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이런 현상은 액체 상태에서 고체로 변할 때도 역 현상으로 나타난다. 벽거울, 창유리, 병유리, 안경, 현미경과 쌍안경의 렌즈, 유리잔, TV와 스마트폰 화면 등 유리로 만든 제품을 떠올려 보면, 주변이 온통 유리 제품으로 가득하다. ‘유리’는 순수 우리말이 아니고 한자어 琉璃이다. 琉와 璃는 모두 구슬을 의미한다. 영어 glass는 ‘투명하다’는 뜻을 가졌다.

 

 

유리는 고체이지만 결정체가 아니고, 열을 가하면 1,400-1,600℃에서 점전적으로 녹고, 또 반대로 냉각시키면 다소 서서히 굳어지는 고체(비결정성)이기 때문에 고대로부터 온갖 제품으로 만들어졌다. 유리 제조법은 언제 누가 발명했는지 알 수 없다. 기원전 3,600년 경부터 이집트와 중동의 고대 국가에서는 유리로 구슬을 만들어 장식용으로 귀중하게 사용했다.

 

 

 

4세기 경에 로마에서 만들어진 고급 유리잔이다. 당시에는 투명한 유리를 만들지 못했다.

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유리 제조법은 우연히 자연현상 속에서 알게 되었다고 생각되고 있다. 유리를 만드는 원료는 모래의 주성분인 이산화규소(SiO2, silica)이다. 이산화규소가 다량 포함된 모래나 바위에 번개가 치거나 운석이 충돌하면, 그때의 고온에 의해 모래 또는 암석이 녹으면서 유리가 만들어진다.

 

 

 

이산화규소 성분이 가득한 바위나 모래에 번개가 치거나 운석이 충돌했을 때, 그 열에 의해 모래가 녹으면서 유리가 형성되는 경우가 드물게 있다. 자연적으로 만들어진 이런 암석을 풀구라이트(fulgurite)라 한다.

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액체상태로 녹은 유리는 판유리에서부터 온갖 유리병과 식기에 이르기까지 원하는 형태로 만들기 편리하다. 원하는 모양으로 만들기 좋은 성질을 성형성(成形性 formability)이라 한다. 오늘날 생산되는 대부분의 유리는 이산화규소(70%)와 석회석을 함께 가열하여 만들며, 이런 유리를 소다석회 유리(soda-lime glass)라 한다. 렌즈 등을 만드는 유리(flint glass)는 굴절율이 큰 유리이며, 혼합하는 물질의 종류에 따라 온갖 특성을 가진 유리가 된다.

 

 

 

비결정성 물질인 유리는 원하는 형태로 만들기 쉬운 성형성이 좋다. 유리를 가공하여 아름다운 예술품을 만드는 유리공예 기술은 실용성을 높이는 동시에 인간의 미감을 만족시킨다.

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오늘날 유리제조 기술은 대단히 발달해 있다. 투명 유리를 생산하는 방법을 알게 되면서 인류는 완전히 새로운 세상을 발견하게 되었다. 즉 투명한 유리로 안경, 렌즈, 프리즘, 광학전자기구들을 만들게 되면서 현미경으로는 미생물의 세계를, 망원경으로는 먼 거리에 있는 적의 동태를 살필 뿐만 아니라 광대한 우주를 볼 수 있게 되었다.

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공기와 물의 은혜를 의식하지 않고 살아가듯이 사람들은 유리에 대한 고마움도 모르고 있다. 거의 모든 유리 제품은 눈으로 보고 손으로 만질 수 있다. 그러나 잘 보이지도 않고 만져볼 수도 없는 특별한 유리 제품은 오늘의 통신시대를 열게 해주었다. 그 유리는 바로 광섬유(optical fiber)라 불리는 지극히 가느다랗게 뽑아낸 유리섬유(glass fiber)이다. - YS

 

 

 

여성생식기(female reproductive organs) 구조