답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.반딧불이가 열을 발생시키지 않고 빛을 내는원리는 발광 물질인 루시페린이 효소의 촉매 작용을 거쳐 산화되는 화학적 발광 반응 때문입니다. 반딧불이의 엉덩이 부분의 발광 세포 안에서 루시페린이 마그네슘 이온의 도움을 받아 루시페라아제 효소를 자극하면 고에너지 중간체가 형성됩니다. 반딧불이가 숨관을 열어 산소를 주입하면, 중간체 물질이 산소와 결합하여 고에너지 상태의 옥실루시페린으로 변하게 됩니다. 이때 불안정한 고에너지 상태의 옥실루시페린이 다시 안정화 되기 위해 바닥 상태로 떨어지면서, 그 에너지 차이 만큼을 황록색 빛으로 방출하게 되는 원리입니다.어릴 적에 제가 살던 고향에는 반딧불이가 많이 서식했는데, 지금은 천연 보호종으로 반딧불이를 찾아보기 힘드네요. 다시 청정해 지면 반딧불이를 볼 수 있을까요?

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.물 분자는 서로 강력하게 끌어당기는 수소 결합을 갖고 있어, 표면적을 최소화하여 둥근 구형을 유지하려는 성질이 강해 따뜻한 수증기가 차가운 렌즈에 닿으면 물의 높은 표면장력 때문에 미세한 입체적 물방울로 맺히게 됩니다. 이 물방울들이 돋보기 역할을 하며 통과하는 빛을 사방으로 산란시켜 안경이 하얗게 김이 서리게 됩니다.김서림 방지제의 핵심 성분은 계면활성제 및 친수성 고분자물질로 렌즈 표면에 바르면 물 분자 사이의 인력을 약화시켜 물 응결체의 표면장력을 급격히 감소시켜 응결된 물이 더 이상 볼록한 방울 형태를 유지하지 못하게 합니다.김서림 방지제가 렌즈 표면에 만든 친수성 보호막은 물 분자를 밀어내는 대신 렌즈 표면 전체로 빠르게 흡수, 확산시켜 물과 렌즈 표면 사이의 독립된 물방울들이 아닌 연속적이고 얇은 고른 수막이 형성됩니다. 두께가 일정한 수막은 빛을 산란시키지 않고 평평하게 통과시키므로, 수증기가 맺혀도 눈에는 아무것도 없는 것처럼 시야가 투명하게 유지됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.소방관이 착용하는 방화복이 수백 도의 화염 속에서도 타거나 녹아내리지 않는 이유는 아라미드 섬유가 가진 강한 벤젠고리 중심의 분자 구조와 열에 노출되었을 때 표면이 숯처럼 변하는 열분해 저항성 덕분입니다.아라미드는 분자의 뼈대가 육각형의 벤젠고리 구조로 연결되어 있어 화학적 결합력이 매우 강해 외부에서 강한 열에너지가 가해져도 분자 사슬이 쉽게 끊어지지 않고 고온을 버텨냅니다. 직선으로 길게 늘어선 분자 사슬 사이에 아미드기가 촘촘히 배치되어 사슬과 사슬이 수소 결합을 형성합니다. 이 결정성 고밀도 구조 덕분에 높은 열이 전달되어도 분자 전체가 매우 단단합니다. 나일론이나 폴리에스터 같은 일반 합성섬유는 열을 받으면 녹아서 액체처럼 흘러내려 피부에 들러붙지만, 아라미드는 열가소성이 없어 고온에 노출되어도 녹지 않고 오히려 표면이 까맣게 구워지며 단단하고 빽빽한 탄화층을 형성하여 내부로 산소가 들어가는 것을 막아 불길이 섬유 전체로 번지는 연소 반응을 막는 동시에 껍질이 강력한 단열재 역할을 하여 내부 소방관의 피부로 열이 전달되는 속도를 지연 시키는 역할을 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.백열등은 필라멘트에 전기에너지를 공급하면 아주 높은 온도로 가열되어 열을 내면서 빛을 방출되는 원리로 투입되는 전기에너지의 약 90% 이상이 빛이 아닌 열에너지로 손실되기 때문에 열효율이 많이 떨어집니다. 반면, LED 전구는 반도체 소자에 전압을 가하면 전자와 양공이 결합하면서 전기에너지가 직접 빛에너지로 변환되기 때문에 백열등의 열 복사 방식보다 에너지 전환 효율이 훨씬 높습니다.LED의 핵심 원리는 p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 구조로 n형 반도체에는 전자가, p형 반도체에는 전자가 부족한 상태인 양공이 많기 때문입니다. 두 반도체를 접합시키고 순방향 전압을 가하면 전자는 p형 반도체 쪽으로, 양공은 n형 반도체 쪽으로 이동하여 두 반도체의 접합부에서 만나게 되고 전자가 양공과 만나서 결합할 때, 전자가 가지고 있던 에너지가 빛의 형태로 방출됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.화석화 작용은 과거에 살았던 생물의 유해나 흔적이 지층 속에 묻힌 후, 미생물에 의해 부패해 사라지지 않고 오랜 세월 동안 다양한 물리화학적 변화를 거쳐 화석으로 바뀌는 과정을 말합니다. 먼저, 화석화 작용이 일어나려면 쉽게 부패하지 않는 단단한 부위가 있어야 하며, 죽은 유해나 흔적들이 빠르게 매몰되어 산소가 차단되어야 하며 매몰된 지층이 극심한 대륙 이동이나 습곡 작용 같은 지각 변동을 박지 않고 오랫동안 보존되어야 합니다.대표적인 화석화 작용으로 광물화 및 치환 작용과 탄환작용, 몰드와 캐스트 형성 등이 있습니다. 광물화 치환 작용은 지하수에 녹아 있던 다양한 광물 성분이 생물 세포나 뼈 속의 미세한 빈틈으로 들어가 시간이 흐르며 원래의 생물체 성분은 녹아 없어지고, 그 자리를 단단한 광물이 대신 채우며 완전한 돌로 바뀌게 되는 것으로 규화목이나 공룡 뼈 화석 등이 있습니다. 탄환 작용은 생물이 지층 깊은 곳에서 높은 열과 압력을 받아 다른 성분은 빠져나가고 오직 검은 탄소 성분만 지층 표면에 남는 현상으로 고사리 등 식물 잎 화석, 곤충 화석 등이 있습니다. 마지막으로 몰드와 캐스트 형성은 생물의 유해가 지층 속에서 완전히 녹아 사라지면 자국 형태의 빈 공간인 몰드가 생기고 이 빈 공간에 나중에 다른 진흙이나 광물이 들어차 원래 생물의 겉모양이 복원되는 캐스트 작용을 말하며 삼엽충, 조개 껍데기 화석 등이 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.증발은 액체 표면에 있는 물 분자가 공기 중으로 기화되는 현상으로 증발 속도는 표면적의 크기에 정확히 비례합니다.액체 내부의 물 분자는 사방에서 다른 물 분자들이 잡아당기는 힘을 받지만, 표면에 있는 분자는 위쪽방향으로 잡아당기는 힘이 작용하기 않습니다. 증발은 오직 공기와 닿아 있는 표면에서만 일어나기 때문에 표면적이 넓어질수록 순간적으로 탈출할 수 있는 위치에 놓인 물 분자의 개수가 많아집니다.표면적이 증발 속도는 온도, 습도, 바람 등 다른 모든 조건이 동일하다면 증발 속도는 표면적에 정비례합니다. 즉, 같은 물의 양을 컵에 담아두었을 때와 넓은 접시에 담아 두었을 때 증발 속도는 면적에 비례해서 넓은 접시에 있는 물이 훨씬 빠르게 증발합니다.예로 젖은 빨래를 뭉쳐두지 않고 쫙 펴서 말리는 것이나, 바닷물을 넓은 염전에 펼쳐 놓는 이유 모두 표면적을 극대화하여 증발 속도를 수십 배 이상 끌어올리는 물리적 원리를 활용한 대표적인 사례입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.사과나 감자의 정상적인 상태에서는 세포막에 의해 폴리페놀과 폴리페놀 효소가 서로 만나지 못하게 분리해 두지만 칼질이나 충격으로 세포가 파괴되면 이 두 물질이 나오면서 공기 중의 산소와 접촉하게 됩니다. 산소와 반응한 폴리페놀 효소가 폴리페놀을 퀴논으로 빠르게 산화시킵니다. 연쇄 반응성이 강한 퀴논 분자들이 서로 뭉치고 결합하면서, 피부를 검게 만드는 색소와 같은 성분인 멜라닌 색소를 형성하여 표면이 갈색으로 변합니다.하지만 모든 과일이나 채소에서 이런 반응이 일어나지는 않습니다. 오이, 수박, 귤 등은 폴리페놀 효소나 폴리페놀 성분의 함량이 매우 적어 반응이 거의 일어나지 않습니다. 레몬, 오렌지, 귤 같은 감귤류는 풍부한 비타민 C 덕분에 산소를 대신 소비하는 강력한 항산화제 역할을 하여 퀴논이 멜라닌 색소로 변하는 것을 화학적으로 방해합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.카레의 매운맛은 단일 성분이 아니라, 다양한 향신료에 들어 있는 화학적 통각 유발 물질들이 복합적으로 작용하여 만들어집니다. 카레의 매운맛을 내는 성분 중에 하나인 캡사이신은 카레에 들어가는 칠리 파우더, 고춧가루, 케이엔 페퍼에서 나오며, 카레의 강렬하고 즉각적인 매운맛을 내는 핵심 성분입니다. 이외에도 후추에서 나오는 성분인 피레린과 카레를 끓이는 과정에서 열을 받으면 생강 성분인 진저롤이 화학 변화를 일으켜 매운맛이 약 2배 강한 쇼가올로 바뀌면서 깊은 매운맛을 냅니다.카레의 매운맛은 혀에서 미각으로 느끼는 것이 아니라 신경이 느끼는 통각입니다. 캡사이신, 피페린, 진저롤 같은 분자들은 혀의 감각 신경에 있는 TRPV1이라는 수용체 단백질과 결합하여 뇌에서 맵다는 통증 신호를 발생시켜 맵다는 것을 느끼게 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.테플론은 탄소 사슬 중심에 불소 원자가 수직으로 빈틈없이 붙어 있는 구조를 가지고 있어 결합력이 아주 강해 열이나 화학물질에 쉽게 끊어지지 않습니다. 불소는 전자를 끌어당기는 힘이 아주 강해 전자 밀도가 아주 높고 외부 물질이 중심 탄소와 반응하는 것을 완벽히 차단하며 불소 원자들이 원통형으로 대칭 배치를 이루어 분자 전체가 완전한 무극성을 띱니다. 분자가 강한 무극성을 띠면 다른 분자를 끌어당기는 분자 간 힘이 약해 테플론의 표면 에너지는 현저히 떨어집니다. 이렇게 분자끼리 달라붙으려는 힘이 없다 보니 표면 마찰계수가 약 0.04~0.1로 낮아집니다.이렇게 낮아진 마찰계수 덕분에 달걀이나 고기의 단백질 및 탄수화물 분자가 열을 받아 수분이 날아가면 주변 물질과 결합하려는 성질이 강하지만 테플론 표면은 반응할 전자를 내주지 않으므로 음식 분자가 표면에 들러붙지 못하고 그대로 미끄러지고 음식이 달라붙지 않게 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.스마트폰 무선 충전은 충전 패드와 스마트폰 내부의 두 코일 사이에서 발생하는 전자기 유도 현상을 이용해 전기에너지를 무선으로 전달하는 기술입니다. 충전 패드에 전기가 들어가면 방향과 크기가 빠르게 바뀌는 교류 전류가 흐르고 전류가 변함에 따라 코일 주위에 시간에 따라 자기장이 수시로 변합니다. 스마트폰을 패드 위에 올려놓으면 스마트폰 뒷면의 수신기 코일이 패드의 자기장 영역 안으로 들어가면, 패드가 만든 자기장의 변화가 수신기 코일을 통과할 때, 코일 내부의 자기선속 변화를 방해하려는 방향으로 유도 기전력과 유도 전류가 발생합니다. 이렇게 전자기 유도로 생성된 전기는 방향이 계속 바뀌는 교류전류 이기 때문에 스마트폰 내부의 정류 회로가 이를 배터리가 받아들일 수 있는 직류 전원으로 변환한 뒤 배터리를 충전합니다.무선 충전기의 자기장의 세기는 거리가 멀어질수록 급격히 약해지므로 충전 패드와 스마트폰 사이의 거리를 일정 간격 이상으로 멀어지면 충전이 안되기 때문에 거리를 유지해야 하며 송신기 코일과 수신기 코일의 중심이 서로 정확히 겹칠수록 자기장의 손실 없이 높은 전력 전달 효율을 얻을 수 있습니다.