안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
종이가 시간이 흐르며 누렇게 변하는 황변 현상은 종이의 주성분 중 하나인 리그닌이 겪는 화학적 붕괴 과정입니다. 리그닌은 나무의 세포벽을 단단하게 결합시키는 복합 방향족 고분자로, 매우 복잡하고 안정적인 그물망 구조를 가지고 있지만 빛과 산소라는 외부 자극에는 취약한 특성을 보입니다.
먼저 빛, 특히 에너지가 강한 자외선이 종이에 닿으면 리그닌 분자 내부의 화학 결합이 에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 됩니다. 이때 활성화된 리그닌은 공기 중의 산소와 결합하며 산화 반응을 일으키는데, 이 과정에서 거대한 고분자 사슬이 조각나거나 내부의 작용기들이 변하게 됩니다. 이 산화 과정의 핵심 결과물이 바로 퀴논 구조를 가진 화합물들의 생성입니다.
유기화학적으로 퀴논 구조는 탄소 고리 안에 이중 결합이 특정 배열로 늘어선 형태를 띠고 있어, 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 성질이 강합니다. 본래 리그닌은 가시광선을 거의 흡수하지 않아 우리 눈에 하얗거나 투명하게 보이지만, 산화되어 생성된 퀴논 유도체들은 가시광선의 짧은 파장대인 푸른색과 보라색 계열의 빛을 집중적으로 흡수합니다.
푸른색 빛이 흡수되고 남은 나머지 파장대인 노란색과 붉은색 계열의 빛이 우리 눈에 반사되어 들어오면서, 종이는 점차 고유의 하얀색을 잃고 누런색이나 갈색으로 변하게 됩니다. 결국 오래된 책이 노랗게 변색되는 것은 리그닌이라는 천연 고분자가 빛과 산소에 의해 파괴되면서 빛을 흡수하는 성질을 가진 새로운 물질로 재탄생했음을 보여주는 광학적인 증거입니다.