물리법칙을 무시해버린 신의 물질들!

1. 물질을 탐구하기 시작한 인류

우리 눈으로 보는 세상의 모든 만물은 굉장히 다양합니다. 고대 그리스에서는 많은 사람들이 그런 것들이 어떻게 구성되었을지 고민을 많이 했고, 지상의 모든 물질은  흙, 물, 공기, 불의 딱 이 네 개의 원소가 구성한다고 생각했습니다. 그리고 천상에 있는 모든 천체들은 제5원소라고 했던 에테르가 구성한다고 생각했습니다.



가장 우주의 한 가운데 있으려고 하는 성향이 가장 강한 건 흙입니다. 우리가 생각할 수 있는게 텅텅 비어있는 우주에, 흙들이 있다면 한가운데 동그랗게 뭉치게 되는데 고대 그리스에선 정말로 이 개념만으로도 지구가 둥근 것 같다는 생각을 했습니다.

그러니까 이렇게 굉장히 정합적인 세계관으로 세상의 만물이 어떻게 만들어졌는지를 고민하고 이해하려고 애썼던 건 인류 역사에서 정말 오래전부터 이뤄졌던 셈입니다.

2. 세상을 바꾼 물질

고대에서는 근본 원소가 뭔지를 고민을 했습니다. 현대 과학자들은 우주를 구성하고 있는 근본 물질들이 어떤 건지는 다 이해를 하고 있습니다. 

최근 현대에서 사람들의 삶을 굉장히 많이 바꾼 그런 신물질이라고 할 수 있는 것들은 여럿 있습니다. 물리학자 입장에서는 아마도 "반도체" 같은 것이 우리의 일상을 정말 많이 바꾼 것입니다. 요즘 많은 조명 장치에 사용하고 있는 LED 장치도 LED에 들어온 전기 에너지의 상당히 많은 부분을 오로지 빛의 형태로 에너지를 변환하기 때문에 굉장히 중요한 물질로 볼 수 있습니다.

물질들이 현대를 살아가고 있는 우리 삶에 이런저런 도움을 크게 주고 있는 것은 분명합니다.

3. 인류를 위협하는 물질 

처음에는 안전하다고 생각했지만, 시간이 지나면서 위험성을 깨닫게 된 물질들이 여럿 있습니다. 그중 가장 대표적인 게 에어컨이나 냉장고에 사용하는 "냉매"라는 물질입니다. 과거 에어컨, 냉장고에선 냉매로 프레온가스를 많이 썼습니다. 물론 처음엔 이게 굉장히 안전한 물질이라 생각했지만 프레온가스가 대기 중으로 유출되면 이게 대기의 높은 층에 가서 오존을 산소로 바꾸게 된다는 것입니다.

처음에는 그런 위험을 모르다가 나중에는 밝혀져서 최근에는 냉매로 프레온을 쓰지 않는 것이 모든 나라가 합의한 사항입니다. 처음에는 몰랐지만 나중에 위험성을 깨닫게 된 대표적인 물질이 프레온가스라고 할 수 있겠습니다. 

4. 세상에서 가장 비싼 물질



비싼 물질이라면, 오가네손이라는 원자가 있습니다. 그런데 이 원자는 원자 번호가 굉장히 큰 쪽입니다. 이 오가네손은 당연히 자연에서는 스스로 합성될 수는 없는 물질이라서 가격으로 따지면 엄청나게 비싸다고 합니다.

오네가손은 굉장히 높은 에너지로 핵 반응을 이용해 만들어내는 물질이라, 자연 상태에 오네가손이 있으면 굉장히 빠른 시간에 분열돼 다른 원자로 바뀝니다. 그래서 사실 그렇게 현실에서 오가네손이 활용될 여지는 아마 없지 않을까 싶습니다.

5. 물리법칙을 거스르는 물질?

- 스타라이트

 

요즘 스타라이트라는 물질에 관심이 많은데, 이건 일종의 아마추어 과학자가 우연히 합성한 물질 같습니다. 스타라이트는 열을 전달시키지 않는 능력이 굉장히 좋은 부도체로 볼 수 있습니다. 문제는, 이분들이 스타라이트를 어떻게 만들어내는지 제조 기법을 공개하지 않아서 실용화가 되지 않았다는 겁니다.

열을 전달시키지 않는 능력이 가장 좋은 물질은 바로 진공으로, 아무것도 없으면 열이 전달되는 걸 막을 수 있어서 진공이 사실 가장 좋은 내열재입니다. 어떤 복사를 하지 않는 물질로 외벽을 만들고 그 내부를 '완벽한 진공'으로 만들면 솔직히 스타라이트보다도 더 좋은 내열성을 갖고 있는 열의 부도체를 만들 수는 있습니다.

스타라이트가 가장 완벽한 내열재라든가 가장 좋은 단열재라든가 이런 이야기는 사실 무리라고 볼 수 있습니다.

- 5톤을 드는 접착제?

 

우리가 가장 많이 이용하는 강한 접착제는, 시아노아크릴레이트입니다. 이 시아노아크릴레이트는 흥미롭게도 외부에서 수분을 흡수하면 접착력이 강해집니다.

수분을 함유해서 강한 접착력을 유지하고 있는 상태가 수분이 없이 처음에 접착력이 없을 때보다 이후의 상태가 에너지가 더 낮다는 뜻입니다. 고분자 사슬로 연결되어 접착력을 작용할 때 더 안정된 상태라는 뜻으로  수분만 있으면 접착력을 자연스럽게 만들어내는 상당히 흥미로운 물질인 셈입니다.

- 폴리우레아

 

폴리우레아를 굉장히 튼튼한 물질로 생각하는데 폴리우레아는 건설, 건축 현장에서 많이 쓰이는 물질입니다. 폴리우레아로 표면을 처리했는데, 바닥은 늘어났는데 폴리우레아가 늘어나지 않는다면 당연히 층은 분리가 될 겁니다. 그런데 이 폴리우레아는 바닥이 늘어나면 같이 늘어나게 됩니다. 

굉장히 여러 방면에서 폴리우레아가 이용되고 있지만 그렇다고 해서 폴리우레아로 처리했다고 망치로 내려칠 때 절대 부서지지 않는다고는 이야기할 수 없습니다.

6. 자연이 가지고 있는 가장 강한 물질 

폴리우레아 말고, 자연이 가지고 있는 굉장히 강한 물질이 있습니다. 바로, 다이아몬드입니다. '다이아몬드가 강하다' 라는 말이 망치로 내려치면 부서지지 않는다는 것이 아니라, 다이아몬드 표면은 어떤 걸로도 긁어서 흠집을 낼 수 없다 정도로만 이해하셔야 합니다.

1) 다이아몬드를 어떻게 깎아낼까?

다이아몬드를 깎는 방법은 다이아몬드를 이용합니다. 다이아몬드 가루를 어떤 면에 촘촘하게 붙인 다음에 그거로 문지르며, 그럼 다이아몬드를 깎아낼 수 있습니다.

2) 다이아몬드를 어떻게 쪼갤까?

다이아몬드로 먼저 작은 흠집을 냅니다. 그리고 그 흠집에 쇳조각을 대고 망치로 두드리면, 그 흠집을 낸 방향을 따라서 다이아몬드가 쪼개집니다. 흠집을 낼 땐 다이아몬드로, 쪼갤 땐 일반 망치로 내려치면 쪼개집니다.

3) 다이아몬드 반지 예쁜 면은 어떻게 만들까?

면을 만들 때는 다이아몬드 가루를 입힌 천 같은 걸 이용을 해서 여러 번 문질러 이 면을 깎아내는 방법을 썼습니다. 요즘은 다이아몬드에 면을 만드는 방법으로 레이저를 이용해서 가공하기도 합니다.

또 하나, 다이아몬드 반지를 가지고 조심해야 할 것이 바로 '불'입니다. 다이아몬드는 탄소로 구성되어 있기 때문에 높은 온도의 불꽃을 다이아몬드에 대면 다이아몬드가 주변의 산소와 반응하면서 타게 됩니다.

7. 사람에게 치명적인 화학 물질 

처음에 만들 때는 위험성을 모르다가 나중에 위험성, 사람의 건강에 위험을 줄 수 있다고 밝혀진 것들이 꽤 많습니다. 가장 대표적인 게 과거에 살충제로 많이 썼던 DDT로, 살충 효과는 정말 뛰어났지만, 이후에 DDT가 인체에 큰 건강상의 위험을 줄 수 있다는게 밝혀집니다.

비슷한 예가 베트남 전쟁 때, 미군에서 낙엽을 떨어뜨리기 위해서 사용한 고엽제라는 물질로, 처음에는 이것도 인체에는 큰 피해 없이 나뭇잎만 말려서 떨어뜨리는 그런 화학물질이라고 생각했습니다. 이후 고엽제가 몸에 접촉된 그런 많은 군인들이 굉장히 긴 시간 동안 여러 다양한 피부 질환으로 고생을 하게 되며 인체에 해를 준다는게 밝혀졌습니다. 

합성 감미료 MSG의 경우에는 학계에선 인체에 건강상의 문제를 일으키지 않는다는 걸 과학자들이 확인했습니다. MSG가 굉장히 큰 건강상 위험이 있다고 오해하는 사람들이 있어서, 이건 해롭다고 사람들이 생각하면서 두려움을 느끼는 것은 조심해야 할 것 같습니다.

이게 자연계에 배포됐을 때 그게 먹이 사슬을 따라서 조금씩, 조금씩 농축돼서 최종적인 소비자인 사람에게 전달될 때는 농도가 굉장히 높아질 수도 있기에 개별 어떤 성분의 안전성을 조사할 때, 이게 과연 생태계 전체에 어떤 영향을 미칠까도 고민해야 할 문제입니다.

새로운 화학 물질 물리학으로 구현하는 새로운 신소재 같은 것을 만들어내려는 우리 인간의 노력은 지금까지도 그랬고 앞으로도 계속 이어질 겁니다. 물질이 주는 위험성과, 우리에게 더 도움이 될 수 있는 면 그 두 가지를 어떻게 하면 우리 모두가 현명하게 결정할까라는 것은, 사실 많은 사람들이 큰 관심과 그리고 과학적인 어떤 사고방식 같은 것을 가지고 우리가 상당히 주의를 기울여야 할 것 같습니다.