고온에서 녹인 뒤 급격히 냉각시키면 원자들이 규칙적으로 배열될 시간을 잃고 투명한 유리가 됩니다.

Question

모래의 주성분인 이산화규소를 천천히 식히면 불투명한 석영 결정이 되지만, 고온에서 녹인 뒤 급격히 냉각시키면 원자들이 규칙적으로 배열될 시간을 잃고 투명한 유리가 됩니다. 어떤 원리에서 이런지 궁금합니다.

Answer 1

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.