자신이천재라는 사람만보세요 천재들의 과학사전(물리)

[최용석]

. 원자의 구성
 [1] 전자와 그의 성질.
  (1) 음극선과 전자의 발견.(19C말.Thomson,영)
    * 쿠룩스(Crooks) 진공방전관의 음극에서 방사선이 방사되어 양극 쪽으로 이동 ☞ 음극 선
   ① 음극선을 이루는 음 전하를 가진 입자 ☞ 전자(electron)
   ② 전자(electron)
     ㉮ 음(-)으로 하전됨.
     ㉯ 자기장의 영향을 받아 굽어짐.
     ㉰ 직진함 .
     ㉱ 질량이 있다.

 (2) 전자의 전하량과 질량
     ① 전하량 ; (-)전하량 . 1.60 × 10 ^-19 coulomb. (1coul. = 1amp ×1sec )
     ② 질량 ; 9.11 × 10 ^-28 g

       

[2] 원자핵 모형.
  (1) Rutherford의 α 입자 산란실험 (1911년)
   ※ 얇은 금속 박(두께 4 × 10^-5cm)에 α입자 투과하면
   ① 대부분의 α입자 그대로 통과
   ② 일부 →진로가 휘어짐
   ③ 극히 소량이 -- 튀어나옴

  * 원자 *
   ㉮ 직진하는 것 ; 원자부피중 대부분이 공간임.(금속 박에 충돌하고도 진로가 굽지 아니함)
   ㉯ 크게 굽는 것 ; 원자 중에 작은 부피이나 질량이 크고 (+)전하를 띤 입자가 존재
                             ☞ 양성자 .
   ㉰ 약간 굽는 것 ; 질량이 작고 음(-)전하를 띤 입자가 존재 ; 전자

 (2) 양극선과 양성자(proton).
  ① 구멍 난 방전관에 수소기체를 넣고 고압의 전압을 걸어 주면 음극 쪽으로 입자 가 모임
       ☞ 양성자
  ② 질량 ; 전자질량의 1837배

 (3) 중성자 (neutron) -(1932,영 Chadwick)
  * Be원자핵에 α입자를 사격 큰 에너지를 갖고 전하를 띄지 않는 입자( 전기적 중성 =중성자)
    가 튀어나옴.

 (4) 원자구성입자
   ① 원자구조

입자 명		기 호	질 량	질량비	하전량	발견자
원자 핵	양성자	P(1H1)	1.67×10-24g	1	+1	Rutherford
	중간자	π	전자의 170배	1/250	0	유가와 히데기
	중성자	n (0n1)	1.67×10-24g	1	0	Chadwic
전 자		e-	9×10-28g	1/1837	-1	Thomson

  ② 원자반경 ; 10^-8 cm
    핵의 반경 ; 10^-13 - 10^-12cm
    핵의 부피 ; 원자전체 부피의 1/10 ¹² (1조)
  ③ 양성자 질량 = 중성자 질량
      전자의 질량 = 양성자 질량의 1/1837
  ④ 양성자 수 = 전자 수 = 원자번호
   ∴ 원자는 전기적으로 중성임
  ☆ 중간자 ; 양성자와 중성자를 결합시키는
      핵력

 

  (5) 원자번호와 질량수
   ① 원자번호 = 양성자 수 = 전자 수
   ② 질량수 = 양성자 수 + 중성자 수

     (예) ₈O¹⁶
        * 산소의 원자번호 = 8 ∴ 양성자수 = 전자 수 =8
         * 질량수 =16 ∴ 중성자수(8) = 원자량(16) - 양성자 수(8)

   ③ 원소기호 표시법
     

 (6) 동위원소    *① 원자번호는 같으나 질량수가 다른 원소 (모든 원자는 둘 이상의 동위원소
                              를 갖고 있다.)
                       *② 원인 ; 양성자수 같으나 중성자수가 달라 질량 다름.

  (예) 수소의 동위원소
       .

    ※ 원자 모델의 변천 과정

원자 모델의 변천사
Dolton	Thomson	Rutherford	Bohr	현대원자모델
원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 단단한 작은 공과 같다	양 전하가 가득 차 있는 곳을 음 전하를 띤 전자가 움직이고 있다 (건포도 모델)	원자의 중심에 크기가 매우 작고 질량이 큰 양 전하의 원자핵이 있고 그 둘레를 음 전하를 띤 전자가 움직이고 있다.	태양계모델이라고도 하며 원자핵을 중심으로 전자가 일정한 궤도를 그리며 돌고 있다.	전자구름 모델로써 원자핵 둘레에 전자가 구름처럼 퍼져있다

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물리

원자 폭탄 (atomic bomb)  

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우라늄·플루토늄 등의 원자핵 분열에 의해서 얻어지는 에너지를 살상 또는 파괴 목적에 이용한 폭탄. 원폭·핵폭탄 또는 분열 폭탄이라고도 한다. 사용되는 핵분열 물질의 종류에 따라 우라늄 폭탄과 플루토늄 폭탄으로 나뉘며, 큰 것에는 TNT폭약의 수백 t에 해당하는 폭발력을 내는 것부터 kt급의 위력을 내는 것에 이르기까지 여러 가지 크기의 것이 있다. 일반적으로 군사 목표에 대한 전술용으로 사용되며, 소형의 것은 제1선의 전투용으로도 사용된다. 인류 최초의 원자폭탄은 1942년 맨해튼 계획에 따라 미국 뉴멕시코주(州) 로스앨러모스의 원자폭탄 연구소에서 개발되었다. 45년 7월 16일 뉴멕시코주 남부 앨러머고도 근처 사막 트리니티의 시험 폭파를 거쳐 8월 6일 일본 히로시마[廣島]에 우라늄 235 폭탄, 9일은 나가사키[長崎]에 플루토늄 239 폭탄이 투하됨으로써 세상에 공개되었다. 이 폭탄의 투하로 히로시마에서는 34만 3000명의 인구 중에서 약 7만 명이 사망, 13만 명이 부상, 완전히 연소·파괴된 가옥 6만 2000호, 반소 또는 반파가옥 1만 호, 이재민 10만 명을 냈고, 나가사키에서는 사망 2만 명, 부상 5만 명, 완전연소 또는 파괴 가옥 2만 호, 반소 또는 반파 가옥 2만 5000호, 이재민 10만 명을 냈다. 또한 이 폭탄으로 일본의 항복이 촉진되고, 제2차 세계대전을 앞당겨 끝내는 효과도 거두었다. 49년 9월 24일에는 소련에서도 원자폭탄을 보유하고 있음이 발표되었고, 52년 10월 3일에는 영국이 몬터벨로 군도에서 원폭 실험에 성공하였고, 60년 2월 13일에는 프랑스가 사하라사막에서 실험에 성공하였으며, 뒤이어 중국·인도·남아프리카 공화국 등에서도 원자폭탄을 보유하게 되었다.

가. 원리와 구조

폭탄의 원료로 사용되는 우라늄 235는 천연 우라늄 광석 속에 약 0.7 %가 함유되어 있으며, 나머지 99.3 %는 비분열성인 우라늄 238로 되어 있다. 우라늄 238에서 우라늄 235를 추출해 내고, 순도 90 % 이상으로 농축한 것이 원자폭탄의 에너지원(源)이 된다. 플루토늄 239는 원자로 속의 반응을 끝낸 폐기물 중에서 화학적인 처리에 의해 추출된다. 순도 높게 농축된 우라늄 235·플루토늄 239 등 핵분열 물질의 원자핵에 중성자를 충돌시키면 원자핵에 분열 반응이 일어나고, 핵분열을 일으킨 원자핵으로부터는 다시 2개 이상의 중성자가 튀어나와서 다른 원자핵에 충돌하여 새로운 핵분열을 일으킨다. 이러한 핵분열 반응은 연속해서 확대되어 나가며, 연쇄반응을 일으켜서 방대한 에너지를 방출하게 되는 것이다. 이와 같이 연쇄반응을 일으키는 상태를 임계 상태(臨界狀態)라 하고, 이러한 상태가 될 핵분열 물질의 양을 임계량이라고 한다. 임계량은 분열 물질의 종류와 순도 기타의 조건에 따라서 달라지게 되나, 우라늄 235와 플루토늄 239에서는 5~20 kg 정도이다. 원자폭탄은 우라늄 235·플루토늄 239를 용기에 넣고, 그것을 임계 상태가 되도록 한 장치, 기폭 장치를 갖춘 것이라고 할 수 있다. 기폭 장치에는 포신형(砲身型:gun type)과 내폭형(內爆型:implosion type)이 있다. 포신형은 원통 속에 임계량의 분열 물질을 2개로 나누어 넣고, 화약의 힘으로 한쪽 분열 물질을 다른 쪽의 것에 합치게 하여 임계 상태가 되도록 하는 것이고, 내폭형은 밀도가 성긴 해면체(海綿體)의 분열 물질을 중심에 두고, 주위에 폭약을 배치해 두었다가 폭약을 한꺼번에 폭발시켜 빠르게 압력을 가함으로써 임계 상태가 되도록 만든 것이다.

나. 폭발의 효과

폭탄의 살상 및 파괴 효과는 폭풍·열·방사능의 3대 효과가 종합적으로 작용하여 발휘된다. 폭발은 100만분의 1초 내에 일어나고, 지속 시간은 200만분의 1초에 불과하다. 이와 같이 극히 짧은 순간에 막대한 에너지가 방출되므로 수백만 도 이상의 고온이 발생하여 주위의 공기를 가열시키고, 가열된 공기는 급격히 팽창해서 폭풍이 되어 무서운 파괴 효과를 내게 된다. 가열된 공기는 불덩어리를 형성해서 고열의 열복사선을 방출하여 연소 및 화상 효과를 낸다. 20 kt의 표준 원자폭탄의 경우 100만분의 1초 안에 6,000만 ℃, 100만분의 1.5초 후에는 5,000만 ℃, 불덩어리의 지름 1 m가 되고, 1만분의 1초 후에는 30만 ℃, 불덩어리의 지름 13~14 m가 된다. 또한 온도 5,000만 ℃가 될 순간의 폭발 압력은 수십만 atm에 이른다. 핵반응시에 방출되는 방사능(초기 핵방사능)은 중성자 상해(中性子傷害)를 입히게 하고, 넓은 지역에 퍼져 있는 물·흙·먼지 등의 방사성 물질로부터 잔류 방사선을 방출하게 하며, 죽음의 재라고 하는 방사능진(fallout)을 내리게 하여 광범위한 방사능 오염 지대를 형성한다. 폭발에서 발생되는 효과와 에너지의 분포는 대체로 폭풍 및 충격파 50 %, 열복사선 35 %, 초기핵 방사선 5 %, 잔류 방사선 10 %이다. 표준 원자폭탄이 공중·지표면에서 폭발한 경우 폭풍 효과에 의해서 폭발 중심으로부터 1~5 km 이내의 목조 건물, 300 m 이내의 콘크리트 건물, 150~220 m 이내의 지하 구조물이 파괴되고, 열복사선에 의해서는 2.5 km 이내의 가연성 물질이 연소되거나 인원에게 심한 화상을 입히게 되며, 방사선에 의해서는 1 km 이내의 전체 인원에게 치사량의 방사선량을 조사(照射)하게 된다

이제 머지 않은 장래에(30년 이내에) 인류는 단지 손목시계 크기 만한 장치 속에 CD 열장의 분량에 해당되는 엄청나게 많은 정보를 입력하여 가지고 다닐 것이다”라고 올 초에 미국 하버드 대학의 G. M. Whitesides 교수가 예언하고 있다. 따라서 “21세기 사회에서 가장 성공적인 삶을 영위할 수 있는 사람은 바로 늘 몸에 지니고 다니는 수 많은 정보 중에서 지금 당장 필요로 하는 정보를 매우 신속하게 그리고 효율적으로 찾아내는 사람이 될 것이다”라고 그는 덧붙이고 있다. 바로 “나노기술(nanotechnolgy)”이 발달되기 때문이라고 한다.
한편 인류의 삶을 지구 밖에서도 영위할 수 있게 되기를 꿈꾸며 그 꿈에 의해 움직여가는 미 항공우주연구소(NASA)의 가장 당면한 목표는 유인 우주선을 화성에 보내는 것이라고 한다. 이러한 꿈이 실현이 되려면 스스로 생각하고, 실험하며, 학습도 할 줄 아는 이른바 스마트(인공지능) 화성탐사선의 개발이 가능하여야 하는데 이러한 스마트 탐사선은 무게 2 g, 부피 1 cc, 전력 소모량 0.05 watts정도가 되어야 된다라고 한다. 이러한 수치는 일전에 보낸 화성탐사선의 무게가 80,000 g이고 부피는 50,000 cc, 전력 소모량이 300 watts인 점에 비하면 상상을 초월하게 소형화가 되지만 성능은 오히려 전보다 훨씬 더 증가하게 되는 셈이다. “인간이 달에 첫 발을 디딘 후 벌써 30년이 지났습니다. 그 후에도 우리 연구소는 끊임 없는 우주 개척의 연구에 박차를 가하였습니다. 하지만 화성에 인간이 첫발을 내 딛게 하려는 우리의 꿈은 위와 같은 탐사선을 만들 수 있는 나노기술이 발달되지 않으면 불가능합니다.” 이미 여러 해 전 (1998년) NASA의 나노기술 연구팀장인 Bradley S. Files라는 사람의 말이다.
인류가 드디어 나노기술의 발달로 인해 위와 같은 성능의 우주탐사선을 제작할 수 있는 기술을 보유하게 된다면 이는 즉, 파리 또는 벌만한 크기의 스마트 비행체들의 제작도 가능하게 된다는 것을 의미한다. 따라서 군(軍)은 이들을 군사목적으로 이용하게 될 것이 자명하므로 2030년 경에는 파리만한 극소형 스마트 비행체들이 전 세계를 누비고 다니면서 주요 군사 및 산업기밀 수집, 요인암살, 군사시설 파괴 등의 가공할 만한 업무를 수행할 수 있게 될 것이다. 따라서 군은 새로운 패러다임의 군사작전을 수립하고 또 나노기술에 바탕을 둔 군장비 개발 및 현대화에 만전을 기하지 않으면 국가안위를 보장 받기 어렵게 될 것이다.
같은 맥락에서 나노기술을 응용하면 마이크로미터 크기의 의료용 스마트 수중탐사선 제작이 가능하여지게 되리라 예상되며 이러한 스마트 수중 마이크로탐사선들이 현재의 내시경들을 대체하여 진단, 치료, 예방 등 중요 의료행위에서 상상을 초월하는 맹활약을 할 것으로 기대된다. 또한 나노기술의 발달은 생명과학의 발전에 크게 기여하여 여러 가지 장기를 인공적으로 저렴하게 제작하여 낡은 장기를 대체하는 의료기술이 발달하여 인류는 수명을 획기적으로 늘릴 수 있게 될 뿐만 아니라 무병 장수의 천복을 누리게 될 것이 가능해 질 것으로 예견되고 있다. 나노기술의 발달은 또한 통신장비들의 극소형화를 진행시켜 지금과 같이 손에 들고 다니는 핸드폰은 사라지고 안경, 귀거리, 장신구, 심지어는 체내에 심어놓은 마이크로칩들이 개인 통신장비를 대체하게 될 것으로 전망되고 있다.
한편 미국 클린턴 대통령의 과학기술 자문위원이었던 Neal Lane은 이미1998년 4월 미국 의회에서 행한 연설에서 “만약 누군가가 21세기에 신기원을 가져다 줄 차세대의 가장 유망한 과학기술 분야가 무엇이냐 라고 제게 물으신다면 저는 곧바로 나노기술이다 라고 대답할 것입니다.” 라고 말하기도 했다. 그의 이러한 생각을 반영한 미국 클린턴 행정부의 장관급 국가과학기술위원회(President Clinton’s Cabinet-level National Science and Technology)에 의해 수립된 학계, 산업계, 정부연구기관의 대표들로 구성된 ‘나노과학, 엔지니어링 및 기술에 관한 기관을 초월한 작업단(Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering & Technology, IWGN으로 약칭)’이 구성이 되었으며 이 작업단이1999년에 작성한 보고서인 나노기술 연구에 관한 지침(Nanotechnolgy Research Directions, http://www.nano.gov참조)에 따르면 “나노기술은 21세기에 있어서 미국의 가장 중요한 전략적 과학기술 분야가 될 것이며 이의 개발을 통해 제조, 의약, 국방, 에너지, 운송, 통신, 컴퓨터, 교육 전반에 관한 현재의 마이크로기술을 대체하여야 할 것”이라고 적고 있다.
이러한 중요성에 기인하여 IWGN은 2000년도에 ‘국가적 나노테크 선도연구(National Nanotechnology Initiative)’를 발족하여 우선적으로 270억 달러의 예산을 배정하였었는데 2001년도예산은 그 두 배에 가까운 495억 달러로 증액하였다. 이 금액은 우리나라 돈으로 약 5,940억원이나 되는 금액이며 우리 나라 과학기술부 2001년도 연구개발 예산인 41,000억(4조1000억)의 무려 14.5%나 되는 금액이 되는 셈이다.
미국의 나노테크에 대한 열기에 질세라 이웃 나라인 일본과 중국, 유럽 각국에서도 국가 장래에 대한 사활을 걸고 정부주도로 나노기술 개발에 대한 조직적이고 과감한 투자를 기울이고 있는데 우리 나라도 올해 초 과학기술단체 대표들이 모인 자리에서 김대중 대통령은 전략적 국가주도 3대 과학기술분야로서 정보-전자 및 생명과학과 함께 나노기술을 들었다. 그리고 최근에는 우리나라 과학기술부에서는 “국가 나노기술 종합발전 계획안”을 마련하여(www.most.go.kr 참조) 국가차원에서 체계적인 나노기술 확립에 착수하고 있다. 이 계획서(안)에 의하면 향후 10년동안 정부 1,180억 민간 1,850억원, 총 3,030억의 연구비를 나노기술 분야에 투입한다고 한다. 추진 방향으로서 경쟁력강화 분야 4대 기술에 사업당 연100억씩, 경쟁력확보 분야 10대 기술에 사업당 연 20억씩, 그리고 기반강화 분야 20대 기술에 연10억씩의 연구비를 투자하는 방침을 검토하고 있다.
이처럼 각 국의 과학기술진을 후끈 달게 하고 있는 나노기술이 미칠 사회경제적파급효과는 유럽의 산업혁명, 러시아의 공산주의 혁명이 미친 파급효과를 훨씬 웃돌게 될 것으로 예견되고 있다. 또한 IWGN 보고서도 나노기술이 미칠 사회경제적인 파급효과는 지난 20 세기에 비료, 항생제, 집적회로, 고분자의 발견 등이 이룩한 효과보다 훨씬 더 클 것으로 예상되고 있다.
이러한 시점에서 우리 나라 과학기술이 나노기술의 실체를 정확히 파악하고 이 기술의 발전에 다같이 동참을 하여야 할 것이다. 이에 필자는 본 난을 빌어 인류사에 새로운 장을 펼칠 숙명과 같은 신조류의 기술, 도도히 흐르는 역사의 물결처럼 거부할 수 없는 신조류의 나노기술이 도대체 무엇인가에 대한 간략한 소개를 시도하고자 한다. 또한 IWGN 보고서를 인용하여 나노기술이 나아가야 할 방향을 설명하고자 한다.
우선 나노기술이란 한마디로 “나노미터 크기의 물질(나노물질)들이 갖는 독특한 성질과 현상을 찾아내고 이러한 성질을 갖는 나노물질을 정렬시키고 조합하여 매우 유용한 성질의 소재, 디바이스 그리고 시스템을 생산하는 과학과 기술”을 통칭한다고 말할 수 있다. 이 말 뜻을 이해한다면 이제 노벨화학상의 수상자인 코넬 대학의 Roald Hoffmann 교수가 나노기술에 대해 정의한 다음과 같이 내용을 이해 할 수 있을 것이다. “나노기술은 매우 섬세한 성질을 지닌 매우 작은 축조물들을 천재적인 능력으로 매우 정밀하면서도 우아하게 그리고 환경친화적으로 축조하는 방법이며 이 방법을 통해서만 인류의 미래가 있다.”
그런데 나노미터 크기의 물질들은 바로 원자 또는 분자들이 가지고 있는 크기이기도 하다. 따라서 콜럼비아 대학의 노벨물리학상 수상자인 Horst Stromer 교수의 나노기술에 대한 다음과 같은 정의를 이해할 수 있다. “나노기술은 원자와 분자로 구성된 자연이라 불리우는 멋진 장난감을 다루는 핵심 기술이며 인류는 이것을 통해서 무한히 새로운 것들을 창조할 수 있다.”
나노기술을 이해하기 위해서는 우선 나노물질들이 매우 신기하고 독특한 물리화학적 현상들을 발현한다는 사실을 알아야 한다. 이러기 위해서는 나노물질에 대한 정의를 좀더 확실히 짚고 넘어갈 필요가 있다. 나노물질은 3차원적으로 볼 때 적어도 한 변의 길이가 나노미터 크기에 이르는 물질을 통칭한다. 즉, 3변의 길이 모두가 100nm 이하의 물질들은 물론이고 한 변만이라도 100nm 이하의 크기를 갖으면 나노물질이 된다. 이를테면 판상 형태를 지닌 점토를 한 장씩 벗겨내면(exfoliation) 각 점토층의 두께는 5nm 이하가 되므로 낱장으로 벗겨낸 점토판들은 나노물질이 된다. 또한 나노미터 크기의 세공(finepore)을 가진 물질들도 나노물질로 간주하는데 2 ? 50nm 크기의 지름을 갖는 메조포러스 실리카(mesoporous silica)들이 잘 알려져 있다.
우선 일상생활에서 늘 접하는 금을 예로 들어 나노물질들이 독특한 성질을 발현하는 현상을 알아보자. 일반적으로 ‘금’하면 사람들은 누런색의 황금을 연상한다. 그러나 크기가 20nm 이하의 금덩어리(금입자)는 빨간색을 띈다는 사실은 잘 모르고 있다. 마찬가지로 덩치 큰 벌크(bulk, 마이크로미터 이상의 크기) 상태의 은덩어리는 은백색을 띄고 있지만 나노크기의 은덩어리는 노란색을 띈다. 이처럼 모든 물질은 그 크기가 수-수십 나노미터 정도가 되면 색깔부터 달라진다. 뿐만 아니라 나노물질들은 그 크기가 조금씩만 변하여도 색깔이 변한다. 이를테면 CdSe 반도체 나노입자는 그 크기가 1.2nm에서 12nm로 크기가 증가함에 따라 청색에서 초록, 노란색을 거쳐 빨간색으로 변한다. 이처럼 나노미터 크기의 입자들이 분산된 용액들은 보통 형형색색의 무지개 빛 형광을 발한다. 나노물질들은 이처럼 벌크상태와는 달리 매우 독특한 광학적인 성질을 나타낸다.
나노크기의 금 입자는 광학적인 색깔만 벌크상태와 다른 게 아니라 화학적인 성질도 크게 다르다. 일반적으로 금은 지금까지 매우 안정하고 화학반응에는 잘 참여하지 않는 귀금속으로 알려져 왔다. 그러나 2 ? 5nm 크기의 금 입자들을 산화철(α-Fe2O3) 위에 부착시키면 상온 이하의 온도에서도 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키는 놀라운 촉매 반응성을 보인다. 뿐만 아니라 상온에서 프로필렌을 산소분자로 산화시켜 공업적으로 매우 유용한 분자인 프로필렌옥사이드를 생성시킨다. 따라서 이를 응용하면 불쾌한 냄새를 내는 분자들을 매우 효과적으로 산화시켜 냄새를 제거하기 때문에 화장실용 벽지로서의 개발도 추진되고 있다.
우리 주위에서 흔히 사용되고 있는 이산화티탄의 경우에도 그 입자 크기가 20nm 이하가 되면 매우 독특한 성질을 나타낸다. 이를테면 이 이하의 크기에서 형광등이나 백열등에서 발생되는 약한 자외선을 받으면 이 입자들은 살균력, 자가세척력, 김서림방지 효과를 갖는다. 이러한 살균력 때문에 20nm 이하의 이산화티탄을 코팅한 타일은 병원에 사용하면 매우 이상적인 것으로 여겨지고 있다. 또한 자가 세척력으로 말미암아 터널 내부의 조명등에 이들을 코팅해 놓으면 자동차에서 발생하는 검댕 등이 달라붙지 않아서 일부러 세척하지 않아도 항상 깨끗한 상태를 유지 할 수 있다. 또한 김서림 방지 효과로 인해 목욕탕이나 자동차 백미러 거울에 이들을 코팅해 주면 김이 서리지 않아서 매우 편리하다. 이러한 성질은 약한 자외선을 받으면 20nm 이하의 이산화티탄 표면이 친수성으로 변하여 물방울이 응결되지 않고 거울 전체에 얇은 막을 형성하며 넓게 퍼지기 때문이다. 또한 자동차 페인트나 집의 외부용 페인트에 섞어서 사용하면 때가 강하게 달라 붙지 않아서 비가 오기만 하면 저절로 새차처럼 기름때가 씻겨나간다. 이러한 이유에서 일본의 자동차 회사들은 이미 고급 자동차에 이러한 페인트를 사용하고 있다. 또한 일본의 한 자동차 회사에서 실행한 실험 결과에 의하면 32nm 크기의 이산화티탄들과 에폭시 수지와 혼합시킨 무기물-유기물 복합체를 자동차 페인트 등의 코팅제로 사용할 경우 순수한 에폭시 수지나 240nm 크기의 이산화티탄을 사용한 복합체 보다 긁힘(scratch)에 의해 상처나는 현상이 50% 이하로 현저히 감소한다.
이러한 나노물질들이 위와 같은 독특한 특성을 갖게 하는데는 이들의 표면적이 대단히 크다는 점이 큰 기여를 하고 있다. 이를테면 한 개의 원자는 100%의 표면적을 갖는다. 또한 3 ×3 ×3 개의 원자로 되어있는 나노물질의 경우 27개의 원자 중에 외부와 접촉하는 표면 원자의 개수는 26개가 된다 (이를테면 로빅스 큐빅을 상상해 보라). 마찬가지로 4 ×4 ×4개의 원자로 되어있는 나노물질은 64 개의 원자 중 56개의 원자가 표면 원자가 되고 8개의 원자가 내부 원자가 된다. 따라서 전체 원자 중에서 표면 원자가 차지하는 비율은 100, 96.3, 87.5% 등으로 작아지게 된다. 이처럼 물질은 입자의 크기가 작아질수록 표면 원자가 차지하는 비율이 높아지는데 열역학적인 관점에서 보면 표면을 구성하는 원자들은 내부에 위치한 원자들 보다 에너지가 높다. 따라서 나노물질들은 벌크 상태의 물질들 보다 단위 원자당 높은 에너지를 가지고 있는 셈이다. 이러한 효과를 양자크기 효과(quantum size effect)라 일컫는다. 이러한 양자크기 효과에 의해서 나노물질들은 일반적으로 녹는점이 벌크 상태보다 훨씬 낮아진다. 이러한 성질은 나노물질을 가공할 때 매우 유용하게 사용된다. 또한 양자크기 효과 때문에 나노물질들은 촉매로 사용될 경우 매우 높은 활성을 보인다. 또한 양자크기 효과는 금속이나 반도체 물질의 원자가띠(valence band)와 전도띠(conduction band) 사이의 간격을 넓히게 된다. 원자가 띠는 전자가 담겨져 있는 띠이고 전도띠는 비워있는 띠를 의미한다. 또한 나노물질의 특징은 가시광선의 파장이 보통 400-800nm인데 반하여 그 크기가 100nm 이하이므로 한 개의 나노물질 입자 속에 한 개의 가시광선 파장을 가둘 수가 없다. 따라서 나노물질들은 매우 흥미로운 광학적 성질을 나타낸다. 위에 나타낸 독특한 기본적인 성질들과 그 밖의 여러 가지 신기한 성질들과 현상들을 조합하고 이용하면 무한히 많은 수의 응용을 기대 할 수 있다.
위에서 소개한 것처럼 나노크기의 물질들은 독특하고 유용한 새로운 성질들을 발현한다. 따라서 나노물질들이 발현하는 다양하고 독특한 물리 및 화학적 성질을 찾아내고 이와 병행하여 이들을 서로 연결하고 조합시켜 매우 유용한 성질의 소재, 디바이스 그리고 시스템을 생산하는 과학과 기술, 즉 나노기술은 앞서 Horst Stromer 교수가 언급한 대로 무한히 새로운 물질을 창출할 수 있는 기술이 된다. 이러한 맥락에서 표1에 열거한 1999년에 IWGN 보고서가 작성한 향후 10년 이내에 나노테크 분야에서 중점적으로 다루어야 할 8가지 분야중에 가장 먼저 착수하여야 할 과제가 바로 다양한 나노물질들을 생산하고 이들을 이용하여 다양하고 독특한 물리-화학적 성질을 찾아내는 것 이라는 사실을 쉽게 이해할 수 있다.

표 1. 나노기술의 향후 연구방향 8가지

1. 독립된 나노입자들의 기본적인 성질 규명
(Fundamental Properties of Isolated Individual Nanostructures)

2. 나노물질 집합체의 기본적인 성질 규명
(Fundamental Properties of Ensembles of Isolated Nanostructure)

3. 나노물질들의 조립
(Assemblies of Nanoscale Building Blocks)

4. 나노물질을 이용한 디바이스 및 시스템 설계
(Eval‎uation of Concepts for Devices and Systems)

5. 나노공정
(Nanomanufacturing)

6. 나노기술과 생명과학의 연결
(Connecting Nanoscience and Biology)

7. 분자전자공학
(Molecular Electronics)

8. Nanostructures as Model Systems for Earth and Planetary Science
(나노구조를 모델로한 지구 및 태양계 현상의 규명)


다음에 진행되어야 할 과제는 집합체로서의 나노물질들의 성질을 조사하는 것이다. 사람의 경우에도 개개인의 성질과 그 사람들이 모인 집단의 성격이 매우 다르듯이 나노물질의 경우에도 개별적인 성질과 집합체로서의 성질을 동시에 조사하여 그 중에 유용한 성질들을 산업화에 응용하여야 할 것이다.
그 다음 과제로서는 나노물질들의 유기적인 네트워크를 형성하여 조직화된 나노물질들을 생산하고 이들을 응용하는 일이다.
즉, “구슬이 서말이라도 꿰어야 보석이다”라는 옛말과 같이 나노기술을 100% 활용할 수 있기 위해서는 무엇 보다도 순수한 나노물질들을 특정 공간 안에 잘 정렬하고 조직화하는 기술을 터득하여야만 할 것이다. 이러한 기술 중에 화학에서 많은 관심을 받고 있는 자기조립(self-assembly)법에 많은 관심이 모아지고 있다. 여기서 자기조립이라함은 어떤 구조물에 있어서 구성 단위들이 스스로 알아서 저절로 뭉쳐서 특수한 기능을 수행하는 현상을 말한다. 이를테면 생명체의 경우 수많은 분자들이 스스로 알아서 서로 뭉쳐서 세포를 형성하고 이러한 세포들이 또한 자기조립하여 눈, 코, 귀, 입과 같은 제각기 다른 기능을 수행하는 기관으로 분화한다. 나노물질들의 조직화하기 위해서는 바로 생체내에서 일어나는 이러한 자기조립 현상을 잘 터득하여 사용하여야 할 것으로 여겨지고 있다. IBM의 한 책임 연구원인 J. Armstrong은 이미 1991년에 다음과 같이 말하고 있다. “나노테크는 자연의 가장 작은 장난감인 원자(atom)와 분자(molecule)들을 별도의 장치를 사용하지 않고 생명체처럼 저절로 정렬시키고 배치시킬 수 있는 기술을 개발하게 되면 정보저장 능력이 획기적으로 증가할 것이다.” 사실 생명체의 특이한 현상 중의 하나는 바로 나노미터 이하의 분자, 나노크기의 분자 또는 분자 복합체, 심지어는 그 이상 크기의 복합 물질들의 자기조립을 매우 정확하게 수행하는 특성이 있다. 그간에 화학자들은 이미 나노미터 이하의 분자들의 자기조립 현상에 대해서 많은 지식을 터득하였으며 이들을 어느 정도 조절 할 수 있는 단계에 도달하였다. 따라서 현재 나노테크에 있어서 가장 시급한 것은 나노크기에 해당되는 나노물질들의 자기조립에 대한 지식을 쌓아가는 것이다. 이러한 기술의 습득에는 적어도 15년 이상이 걸릴 것으로 학자들은 전망하고 있다. 표 1의 6번째 항, 즉, 나노기술과 생명과학과의 만남도 이러한 면의 상호 연계성을 보여주는 것이라 하겠다.
나노물질들을 건축단위로 생각 하여 조직화 할 수 있는 기초지식(기술)이 확립되면 다음 단계에서 진행하여야 할 일은 이들을 직접 응용할 수 있도록 나노물질을 이용한 디바이스와 시스템을 구축하는 일이다. (표1의 4번째 항). 이러한 분야에서 가장 경제적인 파급효과가 가장 높을 것으로 기대되는 분야가 바로 나노기술 또는 나노기술 개념에 의한 컴퓨터용 메모리 및 시스템 칩을 생산하는 일이다. 현재와 같이 리쏘그라피에 기초를 둔 top-down 방식의 물리적 방법에 의하면 반도체 칩의 선폭이 100nm 이하로 감소하기가 불가능하다고 한다. 따라서 컴퓨터 및 정보산업이 계속 발전하기 위한 유일한 대책은 bottom-up 방식의 화학적인 방법을 이용하여 나노물질들을 연결하고 축조하여 더 낮은 선폭의 칩을 생산하는 일이다. 이때 나노물질들의 크기가 아주 작아지게 되면 결국 1-2nm에 도달하게 되고 이렇게 작은 나노물질들은 바로 분자들이 된다. 따라서 표1의 7번째 항에 나타낸 분자전자공학이란 곧 매우 작은 나노물질들 곧 분자들을 bottom-up 방식으로 연결하고 축조하는 혁신적인 기술을 의미한다. 결과적으로 분자전자공학에 의하면 신호전달 체계가 한 개의 전자에 의존하게 되고 한 개의 분자가 기억소자가 된다. 이러한 일은 곧 화학자들이 매우 잘하는 화학의 고유 영역이기도 하다. 표1의 5번째 항의 나노공정도 결국에는 나노물질들을 기본 단위로 하여 다양한 디바이스 및 시스템을 구축할 때 이들을 구축하는 공정을 최적화하는 방법을 연구하는 분야라고 생각할 수 있다.
나노기술이 미칠 파급효과는 정보분야, 재료(소재)분야, 에너지분야, 환경분야, 의학분야, 국방분야 등 사회 전분야에 걸쳐 커다란 파급효과가 있을 것이다. 앞서도 언급한 바와 같이 나노기술은 중세 유럽의 르네상스, 근대의 산업혁명과 같이 사회경제 모든 분야에서 상상을 초월하는 변화를 몰고 올 것으로 기대되고 있다. 따라서 “나노기술(nanotechnology)은 또한 현재 활발한 관심을 받고 있는 정보기술(IT, information technology)와 생명기술(BT, biotechnology)을 발전시키는 중추적인 그리고 핵심적인 역할을 할 것”이라는 사실에 이의를 제기하는 사람은 없다. 이러한 나노기술 발달을 위해서는 화학은 물론이고 물리, 생명과학과 같은 기초과학의 발전이 가장 근간이 된다. 이와 더불어 나노기술을 발전시키기 위해서는 전자공학, 컴퓨터 공학, 재료공학, 화학공학, 생명공학과 같은 다양한 공학분야의 참여가 동시에 이루어져야 할 것이다. 이러한 면에서 나노기술에는 학문간의 경계는 뚜렷하지가 않다. 즉, 나노기술은 초학제적(interdisciplinary) 기술이다. 그러므로 우리 나라 모든 과학 기술자들이 힘을 합하여 나노기술 발전에 동참을 하여야 할 것이며 정부와 기업도 지속적이고 체계적인 투자와 지원을 아끼지 말아야 할 것이다. 또한 정부와 학교는 미래의 나노기술을 유지계승하고 나아가 발전시킬 후학 또는 인력 양성에 많은 노력을 기울이어야 할 것이다.
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차원에사는 개미 두마리가 길을 갑니다.
어떤 사람이 앞에 가는 개미를 손가락으로 튕겨 옆으로 옮깁니다.
뒤에 있던 개미는 동네 파출소로 갑니다. 친구가 눈 앞에서 사라졌다고 실종신고를 합니다.
아무도 믿지 않습니다.

2차원에사는 개미 두마리가 길을 갑니다.
어떤 사람이 앞에 가는 개미를 손가락으로 집어올립니다.
뒤에 있던 개미는 동네 파출소로 갑니다. 친구가 눈 앞에서 사라졌다고 실종신고를 합니다.
아무도 믿지 않습니다

3차원에 사는 철수와 영이가 길을 갑니다.
갑자기 철수가 눈 앞에서 사라집니다.
어떻게 된걸까요?

4차원 세계

단순하게 생각하면
존재하지 않는다가 정답일 것 같습니다.

좀 더 분명하게 하기 위해서
저는 알 수 없다가 정답인 것으로 하고 싶습니다.
그러나 3차원 세계에 살고 있는 우리에겐 존재하지도 않고, 존재할 수도 없는 세계이다라는 것은 확실하게 말할 수 있습니다.

4차원 세계에 대해서 의문이 많은 분들이 꽤 있을 것 같아서 한 번 정리해 보겠습니다.

3차원으로 존재하는 것을 말할 때는 3차원 공간과 함께 흐르는 시간이 그림자처럼 따라다니게 됩니다. 시간은 제외하고 공간만을 따지는 것은 수학적인 개념에 불과합니다.
존재하는 것이냐, 아니냐를 논할 때는 시간과 별도로 생각할 수 없다는 것이지요.

4차원은 3차원 공간에 시간이 추가된 것으로 받아들여지는 것이 일반적입니다.

4차원이 존재하는지? 그리고 4차원에 추가되는 것이 왜 시간인지? 그것은 어떤 의미인지?

옛날에 TV에서 4차원을 소재로 한 만화가 있었습니다.
이상한 나라의 폴.(나 어릴 땐 삐삐였습니다. 커서 다시 보니까 제목이바뀌었네요.)
우리는 달려간다. 이상한 나라로~ 니나가 잡혀있는 마왕의 소굴로.........
노래가 이렇게 시작되던가요?

삐삐라는 요정이 나타나서 뿅망치로 아무데나 뿅하고 치면 4차원으로 통하는 통로가 나타나고 주인공들은 그 문을 통해서 대마왕이 살고 있는 세계로 나갈 수 있습니다.
이 때 꼭 집고 넘어 가야 할 대목이 있습니다.
시간이 정지된다는 것입니다. 주인공들만 시간에 관계없이 움직일 수 있죠. 4차원통로로 들어가기 전에 주인공들이 이 세계와는 별도의 시간에서 움직인다는 것 자체가 4차원입니다.

주인공들이 니나를 구하러 대마왕이 살고 있는 세계로 가서 한바탕 난리 치고 돌아오고 나서, 상황이 제자리로 돌아오고 나면 시간이 다시 흘러갑니다.
이제 우리 모두 그 만화에 등장해 보겠습니다. 물론 주인공은 아니구요.
삐삐가 갑자기 나타나서 애들 데리고 마왕의 세계로 잠시 다녀옵니다. 그리고 삐삐가 사라집니다.

무슨 일 있었나요? 우리들 입장에서 말이죠.
시간이 갑자기 멈췄었다는 것을 느끼기라도 했나요?
우리에게 그런 일은 전혀 일어나지 않은 것입니다.
존재하지 않는 사건이란 의미입니다.

이제 현실로 돌아오겠습니다.
만화의 주인공들이 다녀온 세계가 우리들에게 존재하는 세계일까요?
어쨌든 그런 세계가 있지 않았느냐고 하실 분들이 있을지도 모르겠습니다.
그러나 우리는 현실(3차원 공간,그리고 3차원공간과 함께 흘러가는 시간 속)에 살고 있다는 것을 알아야 합니다.
공간의 크기가 0 이라면 우리에겐 존재하지 않는 것입니다. 마찬가지로 시간의 흐름이 정지되어 있다면 (시간의 크기가 0 이라면)우리에겐 존재하지 않는 것이지요. 주인공들이 다녀온 세계는 3차원에 살고 있는 우리에겐 존재하지 않는 세계입니다.

이것은 우주 밖에 다른 우주가 있는지, 우리 우주는 빅뱅이라는 사건으로 시작되었다는데 그럼 그전에는 무엇이 있었는지에 대한 답도 될 수 있습니다. 우리가 살고 있는 세계란 우리가 살고 있는 우주 안에서만 의미가 있기 때문입니다. 다른 우주가 있더라도 우리와는 다른 공간,다른 시간을 갖고 있기 때문에 우리에겐 의미가 없는 세계가 되는 것입니다. 물론 갈 수도 없구요. (물리학의 이론으로도 우리는 우리가 살고 있는 우주를 벗어날 수 없습니다.)결국 존재하지 않는 상상속에서만 가능한 세계라고 봐야지요. 우리 우주가 시작되기 전의 시간에 대해서도 마찬가지입니다. 우리의 시간은 우주가 시작되면서 시작된 것이기 때문에 그 이전의 시간은 의미가 없는 것이며 존재하지 않는 것이 됩니다.

크기가 없으면 시간도 존재하지 않습니다. 시간의 흐름이 없을테니까요. 역으로 시간이 흐르지 않는다면 공간의 크기도 0 이 된다고도 할 수 있겠지요.
시간이 흘러가지 않아도 공간이 독립적으로 존재할 수 있는 것일까요?

3차원보다 하위 차원을 생각해 보겠습니다.
3차원에 살고 있는 우리에게 점과 선, 면 같은 것들이 실제로 존재하는 것일까요?
그것은 수학적인 개념에 불과한 것입니다.
우리가 살고 있는 세상을 좀 더 잘 이해하기 위해서 도입된 개념들이지 그것들이 실제로 존재하는 것은 아닙니다.
자, 여기에 종이 한 장이 있습니다. 이 종이의 표면(두께가 없이 면적으로만 나타낼 수 있는 부분)만 있는 것을 존재한다고 할 수 있는 것입니까? 종이의 면적이 얼마인가 하는 것은 종이의 크기를 알기 위해서 우리가 수학적으로 이용하는 개념입니다. 넓이는 있지만 두께가 0mm인 종이를 존재하는 것이라고 할 수 있습니까?

다시 만화로 돌아가 보겠습니다.
주인공들이 활약할 동안 우리의 시간은 멈춰있습니다.
시간의 흐름을 초월하여 움직이는 입장에서 보면 시간의 크기가 0 이라면 실제로 존재하지 않는 것으로 여겨질 것입니다. 우리에게 두께가 없는 종이는 존재하지 않는 것과 마찬가지입니다.
우리 입장에서 본다면 시간의 흐름이 0 이 되는 순간에는 아무것도 존재하지 않는 것이므로 공간의 크기도 0 이라고 생각해야 할 것입니다.


4차원을 그리는 문제에 대해서....

이 문제를 풀어가다 보면 의미가 좀 더 명확해질 것 같습니다.

차원을 좀 내려서 2차원에서 3차원을 그릴 수 있는지 알아보겠습니다.
약간 개념을 다시 잡아야 할 것 같은데요....
일단 각 차원의 축을 그려 봅니다. 백지를 한 장 준비하세요.

0차원 점 : 그냥 점하나 찍습니다. 크기는 없고 위치만 나타낼 수 있는거죠.
____________ 사실 0차원이란 표현이 정확한지는? 잘 안쓰는 것 같아서요.
____________ 다만 선이 길이라고 하는 크기를 갖고 있는 것에 비교해서 0차원이라고 해봅니다.
____________ 반면에 점은 크기조차 없는 개념이기 때문에... (존재 자체가 없다는 의미)
____________ 상위 차원의 위치를 정할때 쓰입니다.
1차원 선 : 수평으로 직선 하나 그어 봅니다(x축). 크기는 길이로만 나타낼 수 있죠.
____________ 1차원에서의 위치는 이 직선 위에서만 정할 수 있습니다.
2차원 면 : 수평선 위에 수직선을 하나 더 그립니다(y축). 크기를 넓이로 나타낼 수 있습니다.
____________ 이제 종이 위의 어느 지점에 점을 하나 찍어도 2차원에서의 위치를 갖게 됩니다.
3차원 입체 : 크기를 부피로 나타냅니다. 우리가 살고 있는 공간을 말합니다.
______________ 그런데, 이제 축을 어느 방향으로 추가할 수 있을까요?
______________ 좌표의 중점을 지나는 직선을 비스듬하게 그린다고요(z축)?
______________ 그럼 종이 위에 아무데나 점을 하나 찍어보겠습니다.
______________ z축의 좌표로 어느 위치에 있는지 확인이 되나요?
______________ 2차원 종이 표면 위에 찍은 점은 2차원에서의 위치만 갖게 됩니다.

3차원에 살고 있는 우리가 종이 위에 그릴 수 있는 것은 2차원까지만입니다. 그림을 그리는 종이 표면만 놓고 보면 그 자체는 2차원에 불과하기 때문입니다. 3차원 물체인 정육면체를 그리는 것은 그것을 정육면체처럼 보이게 그리는 것이지 실제로 정육면체를 그리는 것은 아닙니다. 정육면체를 그려 보면 박스처럼 보이기도 하고 앞면과 왼쪽,또는 오른쪽이 뚫려 있는 세트(무대 세트처럼)로 보이는 것도 그것이 실제 정육면체가 아니기 때문입니다. 위에서 그린 z축도 마찬가지입니다.

마찬가지로 3차원 공간에 표현할 수 있는 것은 입체적인 조형물 밖에 없습니다.
그것을 4차원적인 존재로 보이게 표현할 수 있을지는 모르겠습니다. 그런 것은 종이 위에도 그릴 수 있습니다. 그렇게 의미를 부여하고 사람들에게 교육을 시킨다면 머리 속에서 개념을 잡을 수는 있겠죠. 종이위에 그린 정육면체를 박스로 머리속에서 상상하는 것처럼. 실제로 4차원을 표현하기 위해서 그린 그림도 있긴 합니다. 일종의 착시현상을 일으키게 하는 방법으로 아마 이럴 것이다 하구요... 정육면체 그림도 일종의 착시 현상으로 박스처럼 보이는 것 아니겠습니까?

우리가 4차원 세계에 산다면 어떤 일들이 가능할까요?
우선 시간 여행이 가능하지 않을까요? 3차원에선 시간이 하나의 축(x축으로만 이루어진 직선)에서 한쪽 방향으로만 흐르지만 4차원에선 다양한 시간(y축이 추가되면서 평면 이동이 가능)으로 움직일 수 있을 것이니까요.
뿐만 아니라 다른 우주(만약 있다면)로의 여행이나 우주가 태어나기 이전의 시간으로도 갈 수 있겠지요.
그리고 마술사들이 직업을 잃게 될 것입니다.-실제론 눈속임이긴 하지만....
손에 숨긴 물건이 다른데서 튀어나오게 하는 일은 누구나 할 수 있을테니까요.
만화에서 주인공들이 시간이 멈춘 다음에 아버지가 손에 들고 있던 지팡이를 가져갑니다. 그리고 4차원 세계에 다녀와서 그것을 엄마 앞에 떨어뜨리고 시간이 다시 시작된다면.... 다른 사람들 눈엔 지팡이가 아버지 손에서 갑자기 사라졌다가 엄마 앞으로 이동(이때 걸린 시간은 0초)한 걸로 보이겠지요.
만약 그 지팡이를 4차원 세계로 갖고 가서 마왕에게 뺏기기라도 한다면... 다른 사람들 눈엔 눈 앞에서 지팡이가 갑자기 사라져버린 것처럼 보이겠죠. 지팡이가 아니라 사람이라면 실종 사건인데....

4차원 세계를 상상해 보는 것은 참 재미있을 것 같습니다.
그리고 1차원과 2차원의 세계를 상상하는 것은 4차원보다 더 어려울 것 같습니다.
부피가 없는 존재를 어떻게 그려야 할지....

불행히도 4차원은 존재할 수 없는 세상입니다.
마찬가지로 1차원, 2차원이 실재(실제로 있는 사물이나 사건)로써 존재하는 것은 아닙니다.
3차원에 살고 있는 우리들에겐....

까지 물리였습니다 지겹죠? ㅋ

[이희섭]

와~ 난 역시 천잰가봐 넘 쉽당 ㅋㅋ

[창수]

나두.ㅋㅋ

[심인기]

이건 자료실로...물론 그 외의 곳도....역시 합대 교수님은 다르시다니까~~이거 합대 교수님이 쓰신 논문 맞지요?

[창수]

하버드대의 준말 합대. 멋있다.

[♣황지훈♣]

이걸 정보라고 낸것