답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.모래의 주성분인 이산화규소를 식히는 속도에 따라 석영이 되거나 유리가 되는 현상은 원자들이 제자리를 찾아갈 수 있는 냉각 속도와 그로 인해 생기는 빛의 산란 유무가 결정합니다.이산화규소의 기본 단위는 실리콘 하나를 산소 4개가 둘러싸고 있는 규산염 사면체 구조입니다. 액체 상태의 이산화규소를 천천히 식히면 원자들에게 열에너지를 가진 채 이동할 수 있는 시간이 있어, 에너지가 가장 낮고 안정적인 정육각형 형태의 규칙적인 입체 격자 구조를 형성하여 석영 결정이 됩니다. 반대로 고온의 액체를 순식간에 식히면, 원자들이 규칙적으로 배열되기도 전에 액체의 점성이 기하급수적으로 커지며 굳어버립니다. 즉, 액체 상태일 때의 무질서하고 엉클어진 구조가 그대로 고체로 얼어붙게 되는데, 이를 과냉각 액체 또는 유리질이라고 부릅니다. 이렇게 만들어진 유리는 내부에 빛을 차단하고 튕겨내는 결정 경계면이 없기 때문에 빛이 그대로 통과하여 투명해지는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.찌그러진 안경테나 치아 교정용 철사가 뜨거운 물을 만났을 때 원래 모양으로 돌아오는 원리는 바로 형상기억합금이라는 특수 금속 때문입니다. 형상기억합금은 온도에 따라 내부의 원자 결합 모양이 완전히 다른 두 가지 상태를 오고 갑니다. 오스텐사이트는 고온에서 존재하는 상태로 원자들이 정육면체 형태로 매우 빽빽하고 정교하게 늘어서 있어 단단하고 변형이 잘 되지 않는 성질을 가집니다. 금속을 처음 만들 때 고온에서 기억시킨 기본 형태가 바로 이 상태입니다. 마르텐사이트는 저온으로 식으면 변하는 상태로 원자 구조가 지그재그 형태로 어긋나면서 부드러워지며 외부에서 힘을 주면 원자 사이의 결합이 깨지지 않고 슬라이딩되듯 결합 각도만 살짝 꺾이면서 형태가 쉽게 바뀝니다.형상기억합금은 원자의 결합이 끊어지지 않은 채 꺾였다가, 뜨거운 열을 받으면 고온에서 기억했던 원래의 단단한 원자 배열(오스텐사이트)로 순식간에 되돌아가는 물리학적 성질을 이용한 기술입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.정수기 필터나 석유화학 공장의 촉매로 쓰이는 제올라이트는 결정 내부에 수 앙스트롬 단위의 균일한 나노 구멍이 정교하게 뚫려 있는 알루미노규산염 광물입니다. 제올라이트가 분자체 역할을 하며 이온 교환을 수행할 수 있는 이유은 골격의 화학적 전하 상태와 나노 구멍의 물리적 크기에 있습니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.제올라이트가 분자만 걸러내는 분자체의 원리는 제올라이트 내부 구멍의 크기는 종류에 따라 약 0.3~1.0nm 범위로 원자나 분자 몇 개 크기로 매우 완벽하게 균일하기 때문에 구멍 크기보다 작은 분자는 구멍 속으로 쏙 들어가 통과하지만, 구멍 크기보다 큰 분자는 입구에서 막혀 튕겨 나갑니다. 구멍을 통과할 수 있는 작은 분자들 사이에서도 극성이 강한 분자가 제올라이트 내부의 음전하 골격에 더 강하게 붙잡힙니다.다음으로 센물을 단물로 바꾸는 이온 교환 원리는 센물에는 칼슘 이온이나 마그네슘 이온이 많이 들어있어 비누가 잘 풀리지 않고 가전제품에 석회수를 형성하는데, 제올라이트는 물속의 칼슘 이온을 제올라이트 내부에 갇히게 하고, 무해한 나트륨 이온이 물로 나와 센물이 단물로 바뀌게 만듭니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.디지털 치료제는 소프트웨어가 약이 되는 시대를 열며 의료의 패러다임을 병원의 단발성 치료에서 일상의 연속적 관리로 근본적으로 전환시키고 있습니다.기존의 1세대인 알약, 2세대인 바이오의약품에 이어 3세대 치료제로 불리는 디지털 치료제는 기존 의약품을 대체하는 것이 아니라, 기존 의료체계의 치명적인 공백을 매워 환자의 삶의 질을 입체적으로 높이는 보완적 조력자 역할을 수행합니다.디지털 치료제는 진료실 밖의 일상의 진료 공백을 해소하며 환자의 스마트폰이나 웨어러블 기기에 상주하여 일상생활 속 24시간 연속적인 치료와 모니터링을 제공합니다. 또한, 비약물적 치료의 대중화를 위해 임상적으로 검증된 인지행동치료 알고리즘을 앱 형태로 제공하여 누구나 저렴하고 평등하게 고품질 비약물 치료를 받게 만듭니다. 약물 부작용과 오남용의 위험을 차단하고 약물 복용량을 줄이거나 대체하는 안전한 선택지를 제공합니다.현재 한국에서도 불면증 치료 목적의 솜즈, 웰트-아이 같은 디지털 치료제가 공식 승인되어 현장에서 처방되고 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.슬래그는 금속 제련 과정에서 필수적으로 발생하는 부유물로, 과거에는 처리해야 할 폐기물로 여겨졌으나 현재는 각종 산업에서 재활용되는 고부가가치 친환경 자원입니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.철광석이나 금속 원석을 환원하는 과정에서 용광로에 넣고 고온으로 가열하면, 원하는 금속 외에 원석에 섞여 있던 불순물이 함께 녹아나옵니다. 불순물을 쉽게 녹여 분리하기 위해 석회석과 같은 용제를 함께 넣는데, 고온에서 석회석이 열분해되어 생성된 산화칼슘이 불순물인 이산화규소, 산화알루미늄 등과 반응합니다. 용융된 금속보다 슬래그의 밀도가 낮기 때문에 쇳물 위로 둥둥 뜨게 되는데 이를 물리적으로 걷어내어 분리 한 물질이 슬래그입니다.슬래그는 대부분 금속 산화물과 규산염으로 구성되어 있으며 산업 현장에서 다양하게 활용됩니다.첫째로 용융 상태의 고로 슬래그에 고압 물을 분사하여 급격히 식히면 유리질 구조의 수냉 슬래그가 되고 이를 미세하게 빻아 포틀랜드 시멘트에 섞어 고로슬래그 시멘트를 만듭니다.둘째로 공기 중에서 천천히 식힌 서냉 슬래그나 제강 슬래그를 일정 크기로 단단하게 파쇄하여 도로 밑바닥을 받치는 도로 노상재, 토목 공사 채움재, 천연 자갈을 대체하는 콘크리트 골재로 쓰입니다.마지막으로 토양 개량 비료, 해양 생태계 복원재 등 순환 경제 구축의 핵심 자원으로 활발히 활용되고 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.기후 변화가 지금처럼 계속 진행된다면, 우리나라의 뚜렷한 사계절의 균형은 사실상 무너지고 긴 여름과 짧은 겨울을 특징으로 하는 아열대성 기후에 가까워지게 됩니다.​기상청의 기후변화 시나리오와 최신 연구 결과에 기후 변화에 대해 설명해 드릴게요.​과거 100여 년간 이미 여름은 약 20일 길어졌고 겨울은 22일 짧아졌습니다. 향후 기후 변화가 계속되면 21세기 후반에는 계절 길이가 극단적으로 비대칭화될 전망입니다. 5월 초순·중순부터 시작된 여름이 9월 말이나 10월까지 이어져 1년의 절반 가까이가 여름이 될 것이고 서울 등 대도시권은 열섬 현상까지 더해져 여름 길이가 180~190일에 달할 수 있습니다. 과거 가장 길었던 계절인 겨울은 한 달 남짓으로 대폭 줄어듭니다. 특히 남부 지방이나 제주도 등 일부 지역에서는 사실상 겨울이 없는 해가 일상화될 가능성이 큽니다. 봄과 가을은 시작 시기가 빨라지거나 늦어지면서 기간이 한두 달 남짓으로 짧아져 스치듯 지나가는 계절이 될 것입니다.​미래 한반도의 총강수량은 증가하지만, 비가 내리는 양사믄 동남아 형태의 국지성 소나기가 될 가능성이 있습니다.온실가스 감축 노력이 적극적으로 이뤄지는 저탄소 시나리오를 달성할 경우 이러한 변화 폭을 상당 부분 줄일 수 있지만, 현재와 같은 추세가 지속된다면 우리가 알던 전통적인 사계절의 모습은 빠르게 사라질 가능성이 매우 높습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.흑연은 수천~수만 층 겹겹이 쌓인 3차원 육가형 벌집 격자 구조를 가지고 있으며, 전기 전도성이 뛰어나기 때문에 흑연의 여러 층에서 한 층을 떼어 내려는 노력을 많이 했습니다. 그러다 비로소 2004년 스카치테이프로 흑연에서 떼어내는데 성공하여 세상에 알려진 그래핀은 노벨 물리학상을 받을 만큼 대단한 물질입니다.단 원자 한 층에 불과한 이 얇은 막이 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 이유는 탄소 원자들의 sp2 혼성 오비탈 결합과 특유의 2차원 육각형 벌집 구조 덕분입니다. 강철보다 200배 강한 이유는 그래핀이 육각형 벌집 모양의 결합 구조를 가져 외부에서 물리적인 힘이나 충격이 가해졌을 때, 한 지점에 힘이 집중되지 않고 전체 평면으로 에너지를 균일하게 분산시킵니다. 결함이 없는 완벽한 그래핀은 원자 단위에서 그 어떤 금속보다 결합 손실에 잘 견디기 때문입니다. 또한, 그래핀은 원자핵이나 다른 전자와의 충돌로 인한 저항을 거의 받지 않아, 전자가 빛의 속도에 달하는 무시무시한 속도로 거침없이 이동 가능하기 때문에 구리나 실리콘보다 전자 이동 속도가 수백 배 이상 뛰어나기 때문에 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.마이스너 효과는 초전도체가 임계 온도 이하로 냉각되어 초전도 상태로 변할 때, 물질 내부로 침투하려 하는 외부 자기장을 밖으로 밀어내어 내부 자기장을 완전히 0으로 만드는 현상을 말합니다. 이 현상에 대해 설명해 드릴게요.외부에 자기장이 있는 상태에서 물질이 초전도 상태가 되면, 외부 자기장이 물질 내부를 통과하지 못하도록 초전도체 표면에 자동으로 유도 전류가 흐르기 시작합니다. 초전도체는 전기 저항이 정확히 0이기 때문에 이 표면 전류는 에너지 손실 없이 영구적으로 흐르는데, 이 전류가 만들어내는 내부 자기장은 외부에서 들어오는 자기장과 크기는 같고 방향은 정확히 반대가 되어, 결과적으로 초전도체 내부의 알짜 자기장은 완전히 0이 됩니다. 마이스너 효과에 의해 초전도체는 외부 자기장에 반발하는 강력한 반자성체로 변하고 자석의 N극이나 S극을 대더라도 초전도체 표면에는 이를 밀쳐내는 동일한 극의 자기장이 형성이 됩니다. 이 밀어내는 반발력이 초전도체와 자석 사이에서 작용하게 되고, 이 힘이 지구의 중력과 같아지는 위치에서 초전도체가 공중에 둥둥 뜨는 자기 부상 현상이 일어납니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.순수한 규소로만 이루어진 웨이퍼, 즉 순수 반도체는 결정이 전기를 거의 통하지 않다가, 불순물을 아주 극미량만 섞어도 전도성이 폭발적으로 증가하는 현상은 도핑이라는 핵심 기술 때문입니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.규소는 원자가 전자가 4개로 순수한 규소 결정 속에서 각 규소 원자는 인접한 4개의 다른 규소 원자들과 최외곽 전자를 1개씩 나누어 가지며 4개의 완벽한 공유 결합을 형성합니다. 전기가 통하려면 자유전자 있어야 하는데, 순수 규소는 모든 전자가 꽁꽁 묶여 있어 상온에서 움직일 수 있는 자유 전자가 거의 없어 부도체에 가깝게 동작합니다.하지만, 여기에 원자가 전자가 5개인 15족 원소 인이나 비소를 극미량 도핑하면, 인 원자가 규소 원자의 자리를 꿰차고 들어가면, 5개의 전자 중 4개는 주변 규소 원자 4개와 공유 결합을 맺지만 1개의 전자가 짝을 찾지 못하고 남게 됩니다. 남은 1개의 전자가 쉽게 원자에서 튕겨 나와 자유롭게 움직일 수 있어 전압이 걸렸을 때 전류를 흘려보내는 역할을 합니다. 음의 전하를 띤 전자가 주된 운반자이므로 이를 N형 반도체라고 부릅니다.그리고, 원자가 전자가 3개인 13족 원소 붕소나 갈륨을 극미량 도핑하면, 붕소 원자가 규소 자리에 들어가면, 전자가 3개뿐이라 주변 규소 원자 4개와 결합할 때 전자 1개가 모자라는 빈자리가 발생한느데 이를 양공이라고 부릅니다. 이 빈자리는 옆에 있는 전자이동하면서 원래 전자가 있던 자리가 다시 새로운 양공이 되어, 마치 양(+)의 전하를 띤 구멍이 스스로 움직이는 것과 같은 효과가 나타납니다. 양공이 전자를 계속 이동시키면서 전류가 잘 흐르게 되고, 양의 성질을 띠는 양공이 주된 운반자이므로 이를 P형 반도체라고 부릅니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.벤젠이 일반적인 알켄과 달리 첨가 반응을 하지 않고 치환 반을 주로 일으키는 이유는 바로 방향족성이 주는 강력한 공명 안정화 에너지 때문입니다. 화학 반응은 항상 에너지적으로 더 안정적인 상태를 향해 가려는 성질이 있는데, 벤젠에 첨가 반응이 일어나면 이 엄청난 안정성을 포기해야 하기 때문입니다. 벤젠은 단일 결합과 이중 결합이 번갈아 있는 모양으로 그리지만, 실제로 벤젠은 이중 결합 3개가 따로 존재하는 물질이 아니라 벤젠의 진짜 구조는 고리 전체에 퍼진 파이 전자들 탈비전재화 되어 있습니다. 도넛 모양으로 벤젠 고리 위아래를 덮고 있는 이 전자구름 덕분에, 벤젠은 분자 내부의 반발력이 최소화된 극도로 안정한 상태를 유지합니다. 그래서 벤젠에 첨가 반응이 일어나면 고리 전체에 퍼져있던 방향족성(공명 구조)이 파괴되면서 막대한 안정화 에너지를 잃게 됩니다. 따라서 벤젠은 이 안정성을 잃지 않고 유지할 수 있는 치환 반응만을 주로 선택하는 것입니다.