#과학 이야기 | 생글생글

과학과 놀자
김장 김치에 담긴 발효 과학 이야기

신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (15)김장은 늦가을부터 초겨울 사이 배추김치, 깍두기, 동치미 등을 한꺼번에 담가 두는 우리 고유의 문화다. 싱싱한 채소를 구하기 어려웠던 옛날, 겨울이 오기 전 김치를 한목에 담가 겨우내 먹을 수 있도록 채소를 비축해 두던 풍습이 오늘날까지 이어지고 있다. 김장 김치는 비타민, 무기질 등 다양한 영양소의 공급원 역할을 한다.김장의 첫 단계는 배추를 소금에 절이는 일이다. 깨끗이 씻은 배추를 반으로 자른 뒤 배춧잎 사이사이에 소금을 뿌리고 8시간 정도 놔둔다. 배추를 소금에 절이면 탱탱했던 배춧잎이 쭈글쭈글해지면서 부피가 작아지는 것을 볼 수 있는데, 이는 삼투압 현상 때문이다.삼투압이란 삼투에 의해 나타나는 압력을 말한다. 삼투는 농도가 다른 두 액체를 선택적 투과를 하는 반투막으로 막아 놓았을 때 농도가 낮은 쪽의 액체가 농도가 높은 쪽으로 이동해 평형이 이뤄지는 현상이다. 배추에 소금을 뿌리면 배춧잎 겉면의 농도가 높아져 배춧잎 내부의 수분이 밖으로 빠져나온다. 그 결과 배춧잎이 쪼그라든다.그렇게 해서 배추 속 수분을 제거하면 해로운 세균이나 미생물이 살아가기 어려운 환경이 조성돼 김치를 오랫동안 보관해 두고 먹을 수 있게 된다. 이런 원리는 과일잼이나 과일청을 만들 때도 비슷하게 적용된다.절인 배추에 고춧가루, 마늘, 젓갈 등을 넣어 잘 버무리면 김치가 완성된다. 김치는 익으면서 우리 몸에 이로운 균을 만들어 낸다. 이런 과정을 발효라고 한다. 발효는 온도가 낮고 산소가 없는 곳에서 증식하는 유산균에 의해 일어난다.유산균은 김치 양념에 들어간 재료를 분해해 젖산, 초산 등을 만들어낸다. 이런
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우주여행 시대가 다가오고 있어요

신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (12)상상 속에서나 가능했던 우주여행이 점점 현실로 다가오고 있습니다. 유리 가가린이 1961년 인류 최초로 우주 비행에 성공한 이후 우주는 선택받은 사람들만의 영역이었습니다. 여전히 우주여행은 개척 단계이고 천문학적인 비용이 들지만, 조금씩 가능성의 영역으로 접근하고 있습니다.올해 4월 미국 우주개발 기업 액시엄이 모집한 우주 여행객들이 국제우주정거장(ISS)에 다녀왔습니다. 이들은 스페이스X가 제작한 우주 발사체 팰컨9과 우주선 크루 드래건을 이용해 우주로 나갔다가 17일 만에 지구로 돌아왔습니다. 이들은 15일간 국제우주정거장(ISS)에 머물렀습니다.작년 7월에는 영국 버진그룹의 리처드 브랜슨 회장이 우주에 다녀왔습니다. 브랜슨 회장은 VSS 유니티라는 우주 여객기를 타고 지구를 벗어나 3~4분간 ‘무중력 체험’을 하고 돌아왔습니다. 본격적인 우주여행이라고 할 수는 없지만 우주 공간을 체험하고 왔다는 의미가 있습니다.아마존 창업자 제프 베이조스도 작년 7월 자신이 설립한 우주여행 기업 블루오리진의 로켓을 타고 지구와 우주의 경계선인 고도 100㎞ 상공까지 올라갔다 왔습니다. 블루오리진의 우주여행은 유인 캡슐과 결합한 로켓이 수직으로 올라간 뒤 내려오는 방식으로, 캡슐은 고도 75㎞에서 분리된 후 지구 대기권과 우주의 경계선인 고도 100㎞의 카르만 라인에서 낙하합니다. 비행 시간은 약 10분으로 캡슐에 설치된 3개의 대형 낙하산을 이용해 지구에 착륙합니다.우주여행은 아직 보통 사람이 접근하기는 어렵습니다. 무엇보다 비용이 너무 많이 드니까요. 액시엄의 우주여행에는 미국 부동산 투자 사업가와 캐
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세상의 근원, 더이상 쪼갤 수 없는 작은 알갱이 '원소'

신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (8)지금 여러분이 보고 있는 컴퓨터 모니터나 스마트폰 액정을 잘게 부수면 어떻게 될까요? 부서진 액정을 더 잘게 가루로 만들면 무엇이 남을까요? 상상하기 어렵지만 궁금하지 않나요? 마지막에 남는 아주 작은 알갱이가 스마트폰 액정을 구성하는 가장 기본적인 요소겠죠.물질을 이루는 근원적인 요소가 무엇일까 하는 질문은 아주 오랜 옛날부터 있었습니다. 고대 그리스에선 물, 불, 흙, 공기가 세상의 근원이라고 생각했어요. 이 네 가지가 섞여서 여러 가지 물질을 만들어 낸다고 믿었죠. 물론 이것은 사실이 아닙니다.이후 과학자들이 연구를 거듭해 물질의 기초가 되는 요소들을 찾아냈어요. 이를 ‘원소’라고 해요. 더 이상 쪼갤 수 없는 근원적인 요소라는 뜻이에요. 지금까지 과학자들이 찾아낸 원소는 총 118개입니다. 이 중 약 90개는 자연적으로 존재하는 것이고, 나머지는 인공적으로 합성한 것입니다. 우리 생활에 쓰이는 철, 구리, 알루미늄과 공기 중에 있는 산소도 원소예요.이 모든 원소를 기록한 것이 우리가 학교에서 배우는 주기율표입니다. 서로 비슷한 성질을 지닌 원소들을 같은 세로줄에 배치했기 때문에 '주기'가 있다고 하는 것입니다. 지금은 100개가 넘는 원소가 알려져 있지만, 3
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천년의 세월을 간직한 연꽃 씨앗

신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (5)저수지나 연못에 가면 단아한 자태와 고운 빛깔을 뽐내며 은은한 향기를 풍기는 연꽃을 볼 수 있다. 여러해살이 수생식물인 연꽃은 진흙 속에서도 깨끗하게 피어난다. 연꽃은 보통 개화 1일, 만개 2일, 낙화 1일 등 4일 동안 핀다. 첫째날 꽃받침이 떨어지고 꽃봉오리가 벌어지기 시작하면 다음날부터 스스로 열을 내며 향기를 품고 벌들을 불러모은다.식물이 꽃을 피우려면 열이 필요한데, 대부분의 식물은 태양열을 이용한다. 반면 연꽃은 스스로 열을 내 개화한다. 충북농업기술원 신세균 박사팀의 연구 결과, 꽃을 피울 때 연꽃의 온도는 섭씨 30도까지 올라간다. 외부 기온보다 5~6도 높은 수준이다. 연꽃을 열화상 카메라로 촬영해 보니 꽃받침 부분에서 특히 온도가 높은 것으로 나타났다. 실험 결과 연꽃은 당분을 축적해 열을 내는데 꽃받침이 발열에 필요한 에너지를 가장 많이 공급했다.연꽃이 스스로 열을 내는 것은 식물의 번식 방법인 꽃가루받이와 관련 있다. 식물이 번식하려면 곤충이 꽃가루를 수술에서 암술로 옮기는 꽃가루받이가 이뤄져야 한다. 연꽃이 품은 열에너지는 향기를 더 멀리까지 퍼뜨려 더 많은 곤충을 불러 모을 수 있게 해 준다.연꽃은 피어난 지 3~4일 지나면 벌, 풍뎅

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안녕? 난 불이야, 내 이야기를 들어 볼래?

과천과학관과 함께 하는 과학 이야기 (5) 내가 인간에게 처음 발견된 것은 번개와 함께 나무에 내려와 신나게 타오를 때였어. 어느 용감한 녀석이 겁도 없이 땅바닥에 있던 마른 나뭇가지를 주워 나를 태우면서 나의 여행이 시작됐지.인간들은 나를 이용해 고기를 구워 나쁜 세균을 없앴고, 질긴 식물의 잎과 줄기를 씹어먹기 좋게 연하게 만들었어. 덕분에 인간들은 음식물을 소화하는 데 필요한 에너지를 줄일 수 있었고, 남은 에너지를 뇌로 보낼 수 있었지.나는 인간들에게 어둠을 밝히는 빛을 줬고, 추운 겨울을 따뜻하게 보낼 수 있게 해 줬어. 늑대나 곰처럼 인간을 위협하던 동물들에게 나는 공포의 대상이었지. 나를 손에 들고 무리지어 이동하는 인간들은 야생동물을 두려워할 필요가 없어졌어.18세기 영국에서 토머스 뉴커먼과 제임스 와트는 석탄으로 나를 만들어 물을 끓이고, 거기서 생겨난 증기의 힘으로 피스톤이라는 물체를 움직이게 하는 장치를 만들어냈어. 사람들은 그것을 ‘증기기관’ 이라 불렀지.이제 사람들은 나를 이용해 말이나 소에서 얻던 에너지를 얻을 수 있게 됐어. 그것도 말이나 소보다 훨씬 더 큰 에너지를 말이야. 그 덕에 사람들은 ‘돛 없이 움직이는 배’와 ‘저절로 움직이는 베틀’을 만들 수 있게 됐어. 그러자 사람들의 이동이 많아지고 온 세상에 좋은 물건들이 넘쳐나게 됐지. 오랜 세월이 지나 누군가 이 사건을 ‘산업혁명’이라고 불렀어.얼마 지나지 않아 석유와 가스라는 것이 땅 속에서 발견됐어. 이후 나는 증기를 거치지 않고 직접 공기를 데워 피스톤을 움직일 수 있게 됐어. 사람들은 이런 기계를 ‘내연기관’이
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눈과 얼음이 녹으면 어떤 일이 벌어질까요?

과천과학관과 함께 하는 과학 이야기(2) 눈과 얼음이 녹으면 어떤 일이 일어날까요? 이 질문에는 여러 가지 답이 있을 수 있습니다. 첫째, 겨울잠을 자던 동물들이 깨어나고 새싹이 돋아나는 봄이 옵니다. ‘계절 변화’로 해석하면 그렇습니다. 둘째, 눈과 얼음이 녹으면 물이 됩니다. ‘상태 변화’로 해석하면 그렇습니다. 셋째, 육지에 있던 눈과 얼음이 녹으면 해수면이 상승합니다. ‘기후 변화’로 해석하면 그렇습니다. 여러분은 어떤 답이 가장 와닿나요? 사실 이 모든 것은 서로 맞닿아 있는 현상입니다.우선 겨울이 지나 봄이 오는 계절의 변화는 지구 자전축이 기울어진 채로 태양 주위를 공전하기 때문에 나타나는 현상입니다. 자전축이 기울어져 있어서 태양 에너지가 지구에 도달하는 각도가 지구상 위치에 따라 달라지게 됩니다. 이 때문에 여름에는 태양이 더 높이 떠오르고 낮이 길어지는 반면, 겨울에는 태양이 낮게 뜨고 밤이 더 길어지지요. 태양이 더 높이, 더 오래 떠 있을수록 지상에서 받는 태양 에너지가 많아지고, 그렇게 되면 기온이 높아집니다.이런 온도 변화는 상태 변화로 이
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물 속에는 물 분자 H2O와 ○○도 있다

물은 다양한 지구 시스템(지권, 수권, 기권, 생물권, 외권)을 거치면서 액체, 기체, 고체와 같은 상의 변화를 겪으며 순환한다. 이 과정에서 물 속에는 다양한 물질이 포함될 수 있다. 물과 함께 물 속 물질 순환이 연관되어 있는 점을 이해할 필요가 있다. 물 속에 포함될 수 있는 물질지구에 존재하는 물 속에는 물 분자(H2O)뿐만 아니라 다양한 다른 물질이 포함되어 있다. 물 속에 있는 물질을 크게 입자성 물질과 용존성 물질로 구분할 수 있다. 입자성 물질은 가만히 두면 중력에 의해 가라앉는 일정 크기 이상(0.45㎛)의 물질들을 의미하며, 눈에 보이는 대부분의 큰 물질들(나뭇조각, 흙 등)이 포함된다. 용존성 물질은 가만히 둬도 가라앉지 않는 물질이며, 그 물질들은 다시 유기성 물질과 무기성 물질로 구분이 된다. 여기서 유기성 물질이란 탄소를 포함하고 있는 물질로 단백질, 다당류, 휴민산(부식산) 등이 포함된다. 그리고 무기성 물질이란 염소(Cl-), 질산염(NO32-), 황산염(SO42-), 칼슘(Ca2+), 마그네슘(Mg2+)처럼 탄소가 포함되지 않은 각종 원자 또는 분자들이다. 바이러스나 미생물과 같은 것들도 물 속에 포함될 수 있다. 1900년대 초반까지만 해도 바이러스나 미생물에 의해 발생하는 수인성 질병으로 인해 인류의 수명이 짧았다. 물의 순환 과정에서의 물질 순환그러면 우리 주변의 물의 순환을 따라가면서 어떤 것들이 포함될 수 있는지 확인해 보자. 바닷물은 전 지구의 대부분을 덮고 있는 액체로, 특히 소금(NaCl)이 다량(약 38g/㎏) 포함되어 있다. 바닷물이 태양에너지에 의해 가열되면 증발하게 되는데, 바닷물이 증발하게 되어 기권에서 수증기로 존재할 때는 이온이 거의 존재하지 않은 증류수
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미래를 바꿀 양자컴퓨터…'포논'에 달렸다

"열이 소리라고? 말이 돼?"최근 기후변화로 한국에서 가을 날씨를 찾아보기 어렵다는 보도가 있다. 다른 나라에선 이상기후가 나타났다는 뉴스가 연일 보도되고 있다. 반대로 다른 한쪽에서는 반도체 성능과 효율을 높이기 위해 총칼 없는 5㎚(1㎚=10억분의 1m) 이하 선폭 경쟁이 벌어지고 있다는 뉴스가 나온다. 기후변화와 반도체는 연관성이 없어 보이지만 따지고 보면 모두 열과 온도에 의해 생기는 문제로 귀결된다.일상생활에서 우리는 자연스럽게 열과 온도에 관해 이야기하지만, 막상 사람들에게 열과 온도를 정의하거나 설명해보라고 하면 많은 이들이 당황하며 대답하지 못한다. 물리학적으로 온도에 대한 정의는 ‘입자의 운동 에너지’를 엔트로피 통계치로 미분해 얻는 값이다. 그럼 소리의 정의는 어떤가. 소리는 음원으로부터 방사되는 압력파가 매질 내에서 전달되는 것으로 정의한다. 매질의 ‘입자들이 진동하는 과정’에서 주변 밀도보다 높아졌다가 낮아지는 과정을 반복하면서 전달된다. 그럼 아래와 같은 식이 성립한다.온도 = 입자의 운동 에너지 = 입자의 진동 에너지 = 소리어? 그럼 열이 소리와 같아지네. 말이 되나? 열과 소리의 최소 단위 포논‘포논(phonon)’을 알려면 양자역학을 이해해야 한다. 양자역학의 태동은 빛을 이해하면서 생겼으며, 고전역학에서 현대역학으로의 패러다임 변화에 지대한 영향을 미쳤다. 양자역학은 빛의 가장 작은 단위인 ‘포톤(photon)’을 설명하기 위해 태동했는데, 이와 상보적인 개념으로 자연스럽게 ‘포논’의 개념이 생겼다. 1905년 아인슈타인에 의해 광전 효과(photoelectric effect)의 실험으로 최소의 ‘빛

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