답변 내역

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.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.방송에서 일명 도널드 덕이라고 하는 목소리를 얇고 높은 고음으로 변하게 만드는 기체의 정체는 바로 헬륨입니다. 성대가 빠르게 움직여서 목소리가 변하는 것으로 생각하기 쉽지만, 사실은 성대가 아닌 입안과 목구멍 속 소리의 전달 속도가 달라지기 때문에 나타나는 현상입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.소리는 공기라는 매질을 진동시키며 전달되는 파동인데, 매질의 분자량이 가벼울수록 소리가 훨씬 빠르게 이동합니다. 일반 공기는 질소와 산소가 주성분이라 헬륨 기체는 분자량이 공기보다 7배 이상 가볍고, 소리의 속도는 공기보다 3배 가까이 빠릅니다.사람의 목구멍에서 입술까지 이어지는 공기 기둥의 길이는 정해져 있으므로 소리의 파장은 변하지 않고 고정되어 있는데, 이 상태에서 가벼운 헬륨을 마시면 목구멍 내부에서 소리의 전달 속도가 3배로 증가합니다. 파장이 일정한 상태에서 속도가 커지면, 결과적으로 진동수가 함께 증가하게 됩니다. 결과적으로 목구멍 안에서 울리는 공명 주파수가 높은 음역대로 대폭 이동하면서 주파수가 높은 얇고 가느다란 고음이 나오게 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.전기음성도는 분자 내에서 공유 결합을 이루는 두 원자가 공유 전자쌍을 자신 쪽으로 끌어당기는 상대적인 힘의 크기를 나타낸 척도입니다. 1932년 라이너스 폴링이 제안한 폴링 척도가 가장 널리 쓰이며, 수치가 클수록 공유 전자쌍을 강력하게 끌어당김을 의미합니다. 폴링은 가장 전자를 강하게 끌어당기는 플루오린의 전기음성도를 약 4.0로 정하고, 이를 기준 삼아 다른 원자들의 상대적 수치를 정했습니다. 주기율표에서의 전기음성도는 원자의 반지름과 유효 핵전하의 상호작용에 의해 규칙적인 경향성을 나타내는데, 같은 주기에서는 전자 껍질 수가 같지만, 오른쪽으로 갈수록 양성자 수가 늘어나 유효 핵전하가 커지기 때문에 원자핵의 인력이 강해지면서 원자 반지름은 작아지고, 외부의 공유 전자쌍을 끌어당기는 힘이 더욱 강해집니다.같은 족에서는 아래로 갈수록 주양자수가 증가하며 전자 껍질 수가 늘어나기 때문에 원자 반지름이 커지면서 원자핵과 최외각 공유 전자쌍 사이의 거리가 멀어지고, 안쪽 껍질 전자들의 가림 효과로 인해 핵이 전자를 끌어당기는 인력이 약해집니다. 즉, 주기율표의 오른쪽 위로 갈수록 전기음성도가 가장 크고, 왼쪽 아래로 갈수록 전기음성도가 가장 작습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.반응물이 생성물로 한 번에 바뀌면 좋은데, 그렇지 않고 화학 반응이 복잡한 메커니즘을 거치는 이유는 분자들이 부딪힐 확률을 높이고, 넘어야 할 에너지 장벽을 낮춰 반응을 가장 쉽고 빠르게 일으키기 위한 자연의 가장 경제적인 선택 때문입니다.가장 흔한 화학 반응인 물 생성 반응을 예로 들어보겠습니다. 이 반응이 한 번에 일어나려면 수소 분자 2개와 산소 분자 1개가 정확히 같은 찰나의 순간에 한 지점에서 만나야 하고, 정확히 반응이 일어날 수 있는 올바른 방향과 각도로 부딪쳐야 하며, 기존 결합을 끊을 수 있는 충분한 운동 에너지를 가지는 것을 동시에 만족해야 합니다.하지만,공기 중에서 분자 3개가 완벽한 각도와 에너지로 동시에 부딪힐 확률은 수학적으로 0에 가까울 정도로 희박하기 때문에 자연은 분자 2개끼리 차례대로 부딪히는 단계를 여러 번 거치는 길을 선택합니다. 수소와 산소가 반응할 때도 라디칼 같은 중간 단계를 십여 개나 거쳐서 최종적으로 물이 됩니다. 이처럼 화학 반응이 반응물에서 생성물로 한 번에 일어날 수 없고, 여러 단계의 메커니즘을 거쳐야 하는 이유입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.운동 후 땀을 흘리고 나면 톡 쏘는 탄산음료를 더 먹고 싶싶다는 생각을 합니다. 하지만 운동 직후 탄산음료 대신 이온 음료를 권하는 데는 과학적 이유가 있습니다. 이온 음료는 단순히 목을 마르게 하지 않는 음료가 아니라 우리 몸의 체액과 가장 비슷한 성분으로 만들어 빠르게 흡수되도록 만들어진 음료수이기 때문입니다.​우리 몸의 혈액이나 세포액은 농도가 일정하게 유지됩니다. 이온 음료는 이 체액의 농도와 거의 같거나 살짝 낮게 맞추어져 있습니다. 소장 벽에는 나트륨 이온과 포도당이 1:1로 결합할 때 물 분자를 엄청난 속도로 끌고 들어가는 수송체 세포가 있습니다. 이온 음료 속에 적절히 배합된 나트륨과 미량의 당분이 이 수송체를 활성화하여 맹물만 마실 때보다 수분을 훨씬 빠르게 세포 내로 전달합니다. 우리가 흘리는 땀은 단순한 물이 아닙니다. 땀 속에는 수분과 함께 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 같은 주요 이온이 대량으로 섞여 배출됩니다. 칼륨과 마그네슘 같은 전해질이 부족해지면 근육 수축과 이완 제어가 안 되어 운동 중이나 후에 쥐가 나기 쉽습니다. 이온 음료는 손실된 전해질을 즉시 채워주기 때문에 운동 후에는 이온 음료를 마시라고 권장하는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.화학 반응에서 촉매는 정말 중용한 작용을 하는 물질로 반응이 진행되지 않는 상황을 진행시킬 수 있는 물질입니다.균일 촉매와 불균일 촉매가 반응에서 다르게 작용하는 가장 근본적인 이유는 반응물이 촉매와 만나는 메커니즘이 완전히 다르기 때문입니다. ​두 촉매가 반응에서 활성화 에너지를 낮추는 원리를 메커니즘에 대해 설명해 드리겠습니다.먼저 균일 촉매는 ​반응물과 촉매가 모두 같은 상(주로 액체-액체 또는 기체-기체)에 존재하므로, 촉매 분자가 반응 용매 속에 완벽하게 용해되어 균일하게 섞입니다. ​균일 촉매는 반응물과 화학적 복합체 또는 결합을 직접 만들어 새로운 반응 경로를 제공합니다. 잠점으로는 용액 전체에 촉매가 녹아 있으므로, 모든 촉매 분자가 100% 반응에 참여할 수 있습니다. 또한, 분자 구조 수준에서 정교하게 디자인된 촉매가 특정 반응물하고만 선택적으로 결합할 수 있습니다. 하지만, 반응이 끝난 후 생성물과 촉매를 분리하기가 매우 어렵습니다.불균일 촉매는 반응물(기체 또는 액체)과 촉매(주로 고체)의 상이 다릅니다. 이 경우 반응은 촉매의 표면에서만 일어납니다. ​불균일 촉매는 반응물을 자신의 표면에 붙여서 기존 분자 결합을 약하게 만들거나 끊어주는 역할을 합니다. 잠점으로는 고체 내부의 촉매 입자는 반응에 전혀 참여하지 못하므로, 표면적을 극대화하는 것이 핵심입니다. 또한, ​반응이 끝난 후 고체 촉매만 건져내면 되므로 공정이 단순합니다. 하지만, 고온, 고압 조건이 필요한 경우가 많고, 활성 자리가 오염되면 촉매 기능을 잃기 쉽습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.액상 담배의 현대적 형태는 2003년 중국의 약사에 의해 개발되었습니다. ​하루에 담배를 두 갑씩 피우던 중증 흡연자였던 그는, 아버지가 담배 때문에 폐암으로 돌아가시자 담배를 불로 태우지 않고 니코틴만 흡입해서 끊을 수 없을까?라는 고민을 하게 됩니다. 그렇게 해서 초음파 및 가열식 코일로 액체를 기화시키는 지금의 전자담배 형태를 상용화했습니다. 간편하고 냄새도 덜나기 때문에 젊은이들 사이에서 인기가 좋은 것 같습니다.액상 담배는 담뱃잎을 통째로 쓰는 게 아니라, 4가지 주요 성분을 정밀하게 비율 맞춰 혼합해 만듭니다. 첫째로 프로필렌 글리콜은 무색무취의 액체로, 물과 잘 섞이는 성질이 있습니다. 액체 상태의 향을 잘 전달하고 목을 긁어주는 타격감을 만들어냅니다. 둘째로 ​식물성 글글리세은 콩이나 야자유 등에서 추출한 끈적하고 달콤한 액체입니다. 기화되었을 때 연기처럼 보이는 풍성한 흰 수증기를 만드는 역할을 합니다. 셋째로 니코틴은 담뱃잎이나 줄기에서 순수하게 추출하거나, 실함실에서 화학 합성하여 액체 상태로 만듭니다. 최근에는 유기산을 결합해 흡수율을 높이고 목 통증을 줄인 니코틴 솔트 형태로도 많이 사용됩니다. 마지막으로 ​과일, 멘솔, 디저트 등 다양한 맛을 내기 위한 식품첨가물 화학 향료를 첨가하여 액상 담배를 만듭니다.액상 담배의 안전성은 일반 담배처럼 불을 피워 타르와 발암물질 폭탄을 마시는 위험은 피할 수 있지만, 화학물질을 기화시켜 폐에 지속적으로 넣는 것이므로 안전한 담배가 아니라 다른 형태의 위험성을 가진 담배로 보는 것이 가장 과학적으로 정확합니다.