답변 내역

안녕하세요.과학자들이 흑연에 테이프를 붙였다 떼는 방법으로 분리해낸 물질은 그래핀인데요, 이는 새로운 원소를 발견한 것은 아니지만 이미 잘 알려진 탄소 원자들이 배열된 새로운 형태의 물질을 분리해낸 것입니다. 흑연은 연필심에서 보는 물질인데, 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형 구조를 이루며 얇은 층층이 쌓여 있습니다. 이때 층과 층 사이는 비교적 약한 힘으로 붙어 있기 때문에, 과학자들은 혹시 한 층만 떼어낼 수 있지 않을까?라는 아이디어로 일반 스카치테이프를 이용해 흑연을 반복해서 떼어냈는데요, 이 실험은 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 2004년에 성공적으로 수행했고, 이 연구의 중요성이 인정되어 나중에 노벨 물리학상까지 받게 됩니다.즉 그래핀은 탄소 원자 한 층 두께밖에 되지 않는 초박막 물질인데요, 하지만 놀랍게도 매우 얇으면서도 강철보다 강도가 높고, 전기 전도성이 매우 뛰어나며, 열 전달 능력도 우수합니다. 또한 거의 투명할 정도로 빛도 잘 통과시킵니다. 이런 특성 때문에 그래핀은 여러 분야에서 주목받고 있는데요, 예를 들어 차세대 반도체, 초고속 전자소자, 휘어지는 디스플레이, 고성능 배터리 전극, 센서, 복합소재 같은 분야에서 연구되고 있습니다. 특히 그래핀은 얇고 유연하면서 전기가 잘 통해 미래 전자소재 후보로 많이 연구되기도 합니다. 감사합니다.

안녕하세요.OLED란 스마트폰, TV, 웨어러블 기기 등에 널리 사용되는 디스플레이 기술로, 액정과 달리 별도의 백라이트 없이 유기 분자 자체가 빛을 내는 자발광 소자입니다. 유기 발광층을 이루는 분자들은 주로 탄소를 중심으로 한 공액 구조를 가지고 있으며, 이러한 분자 안의 전자들은 특정 에너지 상태에 존재합니다. 크게 낮은 에너지 상태와 높은 에너지 상태로 나눌 수 있으며, 양자화된 분자 궤도 관점에서는 낮은 에너지의 점유 궤도와, 그보다 높은 비점유 궤도로 생각할 수 있습니다.OLED에 전압을 걸면 음극에서는 전자가 주입되고, 양극 쪽에서는 전자가 빠져나가면서 정공이 만들어지는데요, 정공은 전자가 비어 있는 자리로 생각할 수 있습니다. 이때 전자는 유기층 안의 높은 에너지 상태로 들어오고, 정공은 낮은 에너지 상태 쪽에서 이동하게 됩니다. 이후 전자와 정공이 같은 유기 분자 내에서 만나면 서로 재결합하게 되며, 이 과정에서 전자는 높은 에너지 상태에서 더 안정한 낮은 에너지 상태로 떨어지게 되는데, 두 에너지 상태 차이만큼의 에너지가 방출됩니다. 즉 에너지가 빛, 즉 광자로 나오는 것입니다. 이때 에너지 차이가 크면 더 짧은 파장의 빛, 작으면 더 긴 파장의 빛이 나오는데요, 이때 사용하는 유기 분자의 구조를 바꾸면 빨강, 초록, 파랑 같은 서로 다른 색을 만들 수 있습니다. 특히 유기 분자에서 중요한 것은 공액 이중결합 구조인데요, 이런 구조는 전자들이 비교적 자유롭게 이동할 수 있게 해주고, 분자 궤도 사이의 에너지 차이를 조절할 수 있게 합니다. 따라서 OLED 재료 설계에서는 어떤 분자 구조를 가지느냐가 발광 효율과 색을 결정하는 핵심 요소라고 할 수 있습니다. 감사합니다.

안녕하세요.체내에 병원체나 이상 세포가 들어오면 B세포가 활성화되어 항체를 만드는데요, 항체란 Y자 모양의 4차 구조 단백질로, 표면의 특정 부분이 항원과 매우 정밀하게 맞도록 만들어져 있습니다. 여기서 항원이란 바이러스, 세균, 암세포 표면에 존재하는 특정 분자 구조를 말합니다. 자연 상태에서는 하나의 병원체에도 여러 종류의 항원이 존재하기 때문에, 우리 몸은 여러 B세포가 동시에 활성화되어 다양한 항체를 만들며, 항체들의 혼합을 다클론성 반응이라고 생각할 수 있습니다. 반면 단일 클론 항체란 실험실에서 하나의 B세포 계통만 선택해서 증식시켜 만든 항체를 말하며, 모든 항체 분자가 거의 똑같고, 단 하나의 항원 구조만 매우 정밀하게 인식합니다. 암세포는 정상세포와 완전히 다른 생물이 아니라, 원래 자기 세포가 변이된 세포인데요, 많은 암세포는 표면에 정상세포보다 훨씬 많이 발현되는 특정 단백질이나 비정상적인 표면 분자를 가지고 있습니다. 예를 들어 일부 유방암 세포는 HER2라는 수용체를 과도하게 가지고 있습니다. 이런 표면 항원을 인식하도록 설계된 단일 클론 항체를 투여하면, 항체가 암세포 표면에 선택적으로 결합하고, 이후에는 여러 방식으로 치료 효과가 나타납니다. 우선 면역세포가 항체가 붙은 암세포를 제거 대상으로 인식하고 공격할 수 있는데요, 예를 들어 자연살해세포나 대식세포가 관여할 수 있습니다. 또한 암세포 성장에 필요한 수용체 신호를 차단할 수 있는데, 이는 암세포가 증식 신호를 받지 못하게 막는 것입니다. 이외에도 항체에 항암 약물이나 방사성 물질을 붙여 암세포에 선택적으로 전달하는 방식도 있습니다. 반면 자가면역질환에서는 원리가 조금 다르게 활용되는데요, 예를 들어 과도한 염증을 유발하는 TNF-알파 같은 면역 신호 분자를 항체가 잡아서 염증 반응을 줄이기도 합니다. 감사합니다.

안녕하세요.식물은 말씀해주신 것과 같이 동물처럼 움직여서 환경을 피할 수 없기 때문에, 대신 세포 수준에서 외부 자극을 매우 정교하게 감지하고 내부 신호로 바꾸는 시스템이 발달해 있습니다. 핵심은 수용 단백질, 이온 이동, 호르몬 신호, 유전자 발현 변화가 연결되어 작동하는 것인데요, 우선 빛의 방향을 감지할 때는 식물 세포 안에 있는 광수용 단백질이 중요한 역할을 합니다. 대표적으로 포토트로핀은 청색광을 감지하는데요, 빛이 한쪽 방향에서 들어오면 이 단백질이 활성화되고, 세포막에서 칼슘 이온이나 수소 이온 이동이 일어납니다. 결과적으로 식물 호르몬인 옥신이 줄기의 그늘진 쪽에 더 많이 분포하게 되며, 옥신이 많은 쪽 세포는 더 길게 자라기 때문에 줄기가 빛 쪽으로 휘어지게 됩니다. 중력을 감지하는 방식은 뿌리나 줄기 세포 안에는 전분이 많이 들어 있는 작은 입자들이 있는데, 이를 아밀로플라스트라고 합니다. 이 입자들은 무게가 있어서 중력 방향으로 아래쪽에 가라앉으며, 식물 세포는 이 위치 변화를 감지하고, 옥신의 이동 방향을 조절하기 때문에 결과적으로 뿌리는 아래로, 줄기는 위로 자라게 됩니다.다음으로 수분 부족을 감지할 때는 세포의 팽압 변화와 삼투압 변화가 신호로 작용합니다. 세포가 물을 잃으면 세포막과 단백질들이 이를 감지하고, 식물 호르몬인 아브시스산의 생성이 증가하며, 이 호르몬은 잎의 기공을 닫게 만들어 수분 증발을 줄이고, 동시에 스트레스 관련 유전자 발현도 유도합니다. 마지막으로 온도 변화는 세포막의 유동성 변화나 특정 온도 감지 단백질을 통해 인식되는데요, 온도가 낮아지거나 높아지면 세포막 지질의 움직임이 달라지고, 이것이 신호전달 경로를 활성화합니다. 결과적으로 열충격 단백질이나 저온 적응 단백질 같은 보호 단백질이 만들어집니다. 이 모든 과정들이 진행될 때 중요한 것은 세포 안의 칼슘 이온 신호, 활성산소 신호, 단백질 인산화 반응, 그리고 유전자 발현 조절인데요, 식물은 세포막 수용체로부터 이온 신호를 호르몬 변화로 바꾸고 유전자 조절을 통해 생장 변화라는 연속적인 생물학적 시스템을 통해 환경에 적응하는 것입니다. 감사합니다.

안녕하세요.말씀해주신 것처럼 스마트폰 화면에 사용되는 액정은 매우 독특한 물질인데요, 액체처럼 흐를 수 있으면서도, 분자 배열은 어느 정도 규칙성을 가지기 때문에 고체의 성질도 일부 함께 가지고 있습니다. 액정 분자는 보통 길쭉한 막대 형태를 가지고 있고, 분자 자체에 전하 분포의 비대칭성이 있어 전기장에 반응할 수 있습니다. 평소에는 일정한 방향으로 정렬되어 있는데, 여기에 전압이 걸리면 분자들이 전기장의 방향에 맞추어 배열 방향을 바꾸게 됩니다. 스마트폰 화면에서는 빛이 먼저 편광판을 지나며 특정 방향으로 진동하는 편광된 빛이 되며, 그 다음 액정층을 통과하는데, 액정 분자 배열 상태에 따라 빛의 진동 방향이 회전하거나 그대로 유지됩니다. 마지막 편광판에서 빛이 통과할지 차단될지가 결정되면서 화면이 밝게 보이거나 어둡게 보이게 됩니다. 전압이 없을 때는 액정 분자들이 꼬여 있거나 특정 방향으로 배열되어 빛의 편광 방향을 바꾸어 줄 수 있으며, 반대로 전압을 가하면 분자들이 한 방향으로 정렬되면서 빛의 편광 방향을 바꾸는 능력이 달라집니다. 결국 전압으로 분자 배열을 조절하고, 그 배열 변화가 빛의 통과량을 바꾸는 것이 액정 디스플레이의 핵심 원리인데요, 각 화소는 이렇게 빛의 양을 조절하고, 여기에 빨강, 초록, 파랑 색 필터가 결합되면 다양한 색과 영상이 만들어지게 됩니다. 감사합니다.

안녕하세요.프라이팬 코팅에 사용되는 테플론은 화학적으로는 폴리테트라플루오로에틸렌이라는 고분자 물질이며, 탄소 사슬을 기본 골격으로 가지고 있고, 탄소에 결합해야 할 수소 대신 거의 모두 플루오린 원자가 붙어 있는 구조를 가집니다. 이때 탄소-플루오린 결합이 테플론의 안정성을 만들어내는데요, 이 결합의 플루오린이 모든 원소 중에서도 전자를 끌어당기는 능력인 전기음성도가 매우 크기 때문입니다. 플루오린은 탄소와 결합할 때 공유 전자쌍을 매우 강하게 끌어당기며, 그 결과 탄소-플루오린 결합은 매우 강한 결합 에너지를 가지게 되므로, 두 원자가 매우 단단하게 묶여 있어서 외부의 열이나 화학 물질이 이 결합을 끊기가 어렵습니다. 또한 플루오린 원자들은 탄소 사슬의 바깥쪽을 빽빽하게 둘러싸고 있는데요, 따라서 외부의 산소, 산, 염기, 물, 기름 같은 다른 분자들이 안쪽 탄소 골격에 쉽게 접근하지 못합니다. 게다가 플루오린 원자는 전자구름이 매우 안정적이고 표면 에너지가 낮기 때문에 다른 물질과 분자 간 인력을 잘 만들지 않습니다. 음식물 속 단백질, 지방, 당류 같은 분자들이 표면에 잘 달라붙지 않는 이유도 이 때문이며, 테플론 프라이팬에서 음식이 잘 미끄러지고 잘 달라붙지 않는 이유가 바로 이런 분자 수준의 특성 때문이라고 보시면 됩니다. 감사합니다.

안녕하세요.전이금속 착화합물이 색을 띠는 이유는 부분적으로 채워진 d 오비탈과 전자의 에너지 전이 때문인데요, 전이금속은 d 오비탈에 전자가 일부만 채워져 있는 경우가 많아, 주변 분자나 이온과 결합해 착화합물을 만들었을 때 전자의 에너지 상태가 달라집니다. 이때 착화합물이란 중심 금속 이온 주위에 물 분자, 암모니아, 염화 이온 같은 리간드가 결합한 구조를 말하는데요, 황산구리 수용액의 푸른색이나, 과망가니즈산 이온의 보라색이 대표적인 예입니다. 전이금속 이온이 홀로 있을 때와 달리, 리간드가 주변에서 전기장을 형성하면 금속의 d 오비탈들이 같은 에너지를 유지하지 못하고 서로 다른 에너지 준위로 나뉘는 결정장 분리가 나타납니다. 결과적으로 낮은 에너지 상태에 있던 d 전자가 빛 에너지를 흡수해 더 높은 에너지 상태로 이동할 수 있게 됩니다.이때 가시광선 일부 파장이 흡수되는데, 흡수되지 않고 반사되거나 통과한 나머지 빛이 우리 눈에 색으로 보이게 되며, 예를 들어 빨간색 계열 빛이 흡수되면 보색인 청록색이나 푸른색으로 보일 수 있습니다. 이런 성질은 산업적으로 매우 다양하게 활용되는데요, 코발트, 크로뮴, 구리 착화합물은 유리, 세라믹, 안료, 염색 공정에서 색을 내는 데 사용됩니다. 또 화학 분석에서는 금속 이온이 특정 리간드와 결합할 때 나타나는 색 변화를 이용해 금속 농도를 측정하기도 합니다. 생물학적으로도 혈액 속 헤모글로빈은 중심에 철 이온을 포함한 착화합물 구조를 가지며, 산소와 결합하면서 붉은색을 나타냅니다. 식물의 광합성에 핵심적인 엽록소는 중심에 마그네슘 이온이 있는 착화합물이며 녹색을 나타내며, 비타민 B12는 중심에 코발트가 들어 있는 매우 복잡한 금속 착화합물입니다. 감사합니다.

안녕하세요.전이금속에는 철, 구리, 니켈, 백금 등이 있으며 주기율표 가운데에 위치한 금속 원소인데요, 이들은 d 오비탈이 완전히 채워져 있지 않기 때문에 전이금속은 일반적인 금속보다 훨씬 다양한 화학적 성질을 나타냅니다. 우선 전이금속이 다양한 산화수를 가지는 이유는 바깥쪽 s 전자뿐 아니라 에너지가 비슷한 d 전자도 화학 반응에 참여할 수 있기 때문입니다. 예를 들어 철은 +2 상태나 +3 상태를 쉽게 오갈 수 있고, 구리 역시 +1 상태와 +2 상태를 가질 수 있는데요, 이렇게 여러 산화 상태를 오갈 수 있다는 것은 전자를 주거나 받는 산화-환원 반응이 잘 일어난다는 것을 뜻하며, 전이금속은 전자 이동이 필요한 반응에서 높은 반응성을 보이는 경우가 많습니다.또한 이러한 성질은 촉매 작용에서도 매우 중요한데요, 촉매는 반응 속도를 높이지만 반응 후에는 원래 상태로 돌아오는 물질입니다. 전이금속은 d 오비탈을 이용해 반응물 분자와 일시적으로 결합할 수 있고, 전자를 주고받으면서 화학 결합을 약화시키거나 새로운 결합 형성을 도와주며, 반응물이 더 낮은 에너지 경로를 통해 반응하도록 도와줍니다. 예를 들어 철 촉매는 암모니아 합성 공정에서 매우 중요한데요, 질소 분자는 결합이 매우 강해서 쉽게 반응하지 않는데, 철 표면에서 질소 결합이 약해지면서 수소와 반응하기 쉬워집니다. 또 자동차 배기가스 정화 장치에서는 백금, 팔라듐, 로듐 같은 전이금속이 유해 가스를 더 덜 해로운 물질로 바꾸는 촉매 역할을 합니다. 생명체 안에서도 전이금속은 중요한데요, 인간 혈액 속 헤모글로빈에는 철 이온이 포함되어 있어 산소 결합과 운반을 가능하게 하고, 여러 효소들도 전이금속 이온을 이용해 전자 이동 반응을 수행할 수 있습니다. 감사합니다.

안녕하세요.염색약은 염색이 잘 일어나도록 돕고 손상을 줄이기 위한 보조 성분들이 함께 작용하며, 보조 성분들은 크게 침투를 돕는 역할, 균일하게 퍼지게 하는 역할, 손상을 완화하고 촉감을 개선하는 역할로 나눌 수 있습니다. 먼저 계면활성제는 물과 기름 성분이 잘 섞이도록 도와주는 물질인데요, 염색약에는 다양한 성분이 함께 들어 있기 때문에, 이들이 균일하게 섞여 있어야 머리카락에 고르게 도포됩니다. 계면활성제는 염료 전구체와 산화제가 머리카락 표면에 균일하게 퍼지도록 하고, 동시에 큐티클 사이로 스며드는 것을 도와 염색 효율을 높입니다. 다음으로 알칼리성 보조제는 암모니아 또는 그 대체 성분으로, 이 성분은 머리카락의 큐티클을 살짝 들어올려 내부로 통로를 열어주는 역할을 합니다. 이렇게 해야 염료 전구체와 산화제가 케라틴 내부까지 들어가서 색이 제대로 형성됩니다. 컨디셔닝제는 염색 과정에서 손상되기 쉬운 머리카락을 보호하는 역할을 하는데요, 염색은 산화 반응을 동반하기 때문에 케라틴 구조가 일부 손상될 수 있는데, 컨디셔닝 성분은 머리카락 표면에 얇은 막을 형성하거나 손상된 부분을 일시적으로 메워 수분 손실을 줄이고 촉감을 부드럽게 유지하도록 돕습니다. 실리콘, 단백질 유도체, 오일 등이 여기에 해당합니다. 마지막으로 점도 조절제나 증점제는 염색약이 너무 묽지 않도록 만들어 흘러내리지 않게 하고, 원하는 부위에 정확히 바를 수 있게 해줍니다. pH 완충제는 염색 반응이 가장 잘 일어나는 산성도 범위를 유지하도록 도와 염색 결과의 안정성과 재현성을 높입니다. 감사합니다.

안녕하세요.말씀해주신 것처럼 사람의 체세포는 거의 동일한 DNA를 갖지만, 세포마다 켜져 있는 유전자 집합이 달라서 서로 다른 모양과 기능이 나타나는 것입니다. 유전자는 단백질을 만드는 설계도인데, 실제로 단백질을 만들려면 그 유전자가 켜져 있어야 합니다. 이때 스위치 역할을 하는 것이 DNA의 특정 구간인 프로모터와 인핸서에 결합하는 단백질들입니다. 이런 단백질을 전사인자라고 하는데, 어떤 전사인자가 붙느냐에 따라 해당 유전자가 전사될지 말지가 결정되는데요, 예를 들어 근육세포에서는 근육 단백질인 액틴과 미오신 등을 만드는 유전자를 켜는 전사인자들이 활성화되어 있고, 신경세포에서는 신경전달 및 이온채널 관련 유전자를 켜는 전사인자가 활성화되어 있습니다. 또한 DNA는 히스톤 단백질에 감겨 있는데, 어떤 구간은 느슨하게 풀려 있어 전사인자가 쉽게 접근하고, 어떤 구간은 꽉 감겨 있어 접근이 어렵습니다. 이런 상태를 바꾸는 대표적인 기전이 DNA 메틸화와 히스톤 변형인데요, 메틸화가 많이 된 유전자 영역은 대체로 꺼져 있고, 특정 히스톤 변형이 일어나면 유전자가 더 잘 켜지거나 꺼집니다. 또한 배아가 자라면서 세포는 주변으로부터 호르몬과 성장인자 같은 신호를 받는데요, 이 신호가 세포 내부의 신호전달 경로를 통해 특정 전사인자를 켜고, 결과적으로 어떤 유전자 묶음이 지속적으로 켜지는 프로그램이 만들어집니다. 한 번 특정 방향으로 분화가 진행되면, 위에서 말한 후성유전학적 표지들이 그 상태를 기억해 같은 유형의 세포로 안정적으로 유지되는 것입니다. 감사합니다.