#과학 이야기 | 생글생글

과학과 놀자
연구용 원자로와 가속기에서 만들어진 중성자와 방사광…10-9ｍ 크기 나노세계의 비밀을 푸는 열쇠

대규모 시설인 연구용 원자로와 가속기는 다양한 용도를 가지고 있다. 연구용 원자로라고 하면 미국 과학자 엔리코 페르미가 건설한 최초의 원자로와 같이 시험용으로 만든 원자로를 연상하기 쉽다. 그리고 가속기라고 하면 스위스 제네바에 있는 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 강입자가속기와 같이 원자보다 작은 아원자입자를 연구하는 시설을 먼저 떠올릴 것이다. 그런데 연구용 원자로와 가속기는 의외로 원자나 분자가 이루는 나노미터() 크기의 세계, 즉 나노 세계를 관찰하는 데에도 대단히 유용하게 사용되며, 현대 문명에 직접적인 영향을 주고 있다. 방사광과 중성자를 햇빛 대신 사용17세기 네덜란드의 안토니 반 레벤후크가 직접 제작한 현미경으로 미생물을 최초로 발견한 것은 일대 사건이었다. 생명에 대해 인류가 갖고 있던 기존의 관념이 뒤집어졌고 이후 많은 질병의 원인을 알아내고 현대적인 위생관념이 성립하는 계기가 되었다. 이어진 산업혁명 시대에는 현미경이 제품 개발과 품질 확인에 유용하게 사용되었다. 포목상이던 레벤후크도 천의 품질을 확인할 목적으로 현미경을 만들었다고 알려져 있다. 이와 같이 인간의 삶에 광범위하게 영향을 끼쳤기 때문에 현미경은 대중에 널리 알려진 과학 도구가 되었다.레벤후크가 만든 현미경은 구형의 렌즈가 하나만 달린 단안경에 불과했다. 지난 몇 세기 동안 눈으로 볼 수 없는 작은 세계를 관찰하려는 과학자들의 노력으로 광학현미경은 발전을 거듭했으며, 현대에는 수십만 배의 배율을 가진 전자현미경에서 원자 하나하나를 구분할 수 있는 경지에 이른 주사터널링현미경(STM)까지 다양한 장비가 일상적으로 사용되기에 이르렀다.연
과학과 놀자
식물의 광합성도 물과 이산화탄소를 결합하는 화학반응

화학공장은 전처리, 반응, 분리·정제 영역으로 나눌 수 있다. 주요 구성 장치는 반응기, 열교환기, 분리기(증류탑, 흡착탑)가 있다. 증류탑과 흡착탑은 불순물을 제거하거나 생성물의 순도를 높이는 역할을 하며, 열교환기는 온도가 다른 유체가 흐르는 관을 접촉해 에너지 비용을 절감시켜준다. 우리나라에 분리·정제 및 열교환기에 대한 세계적인 전문가들이 많지만 반응기를 설계할 수 있는 전문가는 매우 드물다. 그 이유에 대해 알아보자. 반응속도는 가장 느린 과정에 의해 결정화학반응은 어떠한 물질이 화학 변화를 겪어 다른 물질로 변화하는 과정이다. 화학반응의 중요한 두 요소는 ‘반응속도’와 ‘화학평형’ 개념이다. 반응속도는 어떤 화학 반응이 일어나는 속도를 말한다. 예를 들어 공기 중에서 쇠가 산화되는(녹스는) 반응은 몇 년이 걸리는 느린 반응이지만, 부탄가스가 연소되는 반응은 단 몇 초 만에 일어난다. 이처럼 반응속도는 반응온도, 압력, 반응물·생성물 농도, 촉매 사용 여부에 따라 영향을 받는다.대부분 촉매는 반응속도를 증가시켜 주는 역할을 하며, 화학과와 화학공학과에서 다루는 촉매의 종류는 다르다. 화학과에서는 반응물과 촉매의 상(phase: 물질의 상태)이 같은 균일(homogeneous) 촉매를 다룬다. 즉 반응물과 촉매가 모두 액체기 때문에 반응물이 촉매에 접촉하는 현상을 크게 고려하지 않는다. 화학공학과에서는 반응 이후 반응물과 촉매를 쉽게 분리하기 위해 반응물과 촉매 간 상이 다른 불균일(heterogeneous) 촉매를 사용한다. 일반적으로 반응물의 상은 액체, 기체 또는 액체/기체며 촉매는 주로 고체를 사용한다.반응물이 촉매 활성점에 도
과학과 놀자
2050년엔 지금보다 에너지가 3~5배 필요하다는데…유엔 '지속가능개발목표' 해결 위한 과학기술 역할 더욱 커져

산업혁명 이후 과다하게 사용한 화석에너지로 인해 지구는 심각한 환경문제뿐만 아니라 식량문제, 보건문제를 초래하고 있다. 기후변화와 코로나 팬데믹(대유행)으로 경제력이 부족한 개발도상국가가 더 큰 어려움을 겪고 있다. 유엔 식량농업기구(FAO)는 현재 세계 인구(약 78억 명)가 2050년이면 97억 명이 될 것이며 지금 추세대로 에너지와 식량을 사용하면 2050년에는 지금에 비해 에너지는 3~5배, 식량은 1.7배가 필요하다고 전망하고 있다.개도국 사람들도 소득이 증가하면 화석에너지와 동물성 단백질을 많이 소비할 것이다. 여기에 기후재앙까지 고려한다면 지구는 지속가능발전이 어려울 수 있다. 유엔은 2015년 말 인류가 당면한 많은 문제를 2030년까지 해결하기 위해 ‘지속가능개발목표(SDGs 2016~2030: Sustainable Development Goals)’를 출범시켰다. 유엔과 국제사회의 가장 많은 혜택을 받은 우리는 국제사회와 약속한 온실가스 감축은 물론 SDGs 이행을 위해 솔선수범해야 할 책임이 있다. SDGs는 17개 큰 목표로 구성유엔이 설정한 SDGs는 ‘누구도 소외되지 않는’ 지속가능한 사회로 발전하기 위해 빈곤퇴치, 기아해결 등 17개 큰 목표와 169개 세부목표를 달성하는 것이다. SDGs는 크게 인류의 보편적 문제(가난, 기아, 질병, 교육 등), 지구 환경문제(기후변화, 에너지, 환경오염, 물, 생물다양성 등), 경제사회문제(주거, 생산과 소비 등)로 구분할 수 있다. 이들 문제는 서로 연관돼 있으며 기후위기와 코로나 팬데믹 상황에서 SDGs를 달성하기 위해선 많은 어려움이 있을 것으로 예측된다.SDGs는 경제성장의 중요성을 재조명하면서 이에 대한 구체적인 전략으로 과학기술혁신(STI: Science Technology Innovation)
과학과 놀자
뇌와 인공지능 연결한 신인류는 탄생할까

최근 한 방송사에서 인공지능(AI: artificial intelligence)과 인간이 대결을 펼친 예능 프로그램이 인기를 끌었다. 골프, 심리인식, 주식투자 등 다양한 전문 분야에 맞춰 개발된 AI와 각 분야의 전문가들 간의 대결이어서 화제가 된 이 프로그램에서 인간은 6회의 대결 중 4회 승리했다. 인간의 우세로 끝나기는 했지만, 이 프로그램을 통해 우리는 2021년의 AI가 얼마나 빠르게 성장했는지를 눈으로 확인할 수 있었다. AI가 인간의 사고를 완전히 대체한다는 미래는 어제 공상과학영화에서나 등장하던 상상이 아니라 현실에 가까워진 것이다.AI는 결국 인간의 두뇌를 완전히 대체할 수도 있을까? 기술적 진보가 없다면 어려울 것이라는 의견이 지배적이다. 수많은 정보를 기록하고 데이터베이스화하는 것은 AI가 훨씬 우수하지만, 인간만이 가진 직관과 고차원적 사고를 대신하기에는 AI의 부족한 점이 많기 때문이다. 이뿐만 아니라 인간의 뇌는 고등 연산과정 동안 밥 한 그릇 정도로 충당 가능한 에너지만을 소모한다는 장점이 있다. 어마어마한 양의 전력을 소모하는 AI와는 차원이 다른 효율성을 가진 것이다. 컴퓨터와 뇌를 연결하기 위한 뇌공학자들의 노력그렇다면 이렇게 우수한 인간의 뇌를 AI와 연결해, 고차원적인 결정은 AI 대신 인간이 할 수 있게끔 하면 어떨까? 또는 반대로 AI가 분석한 방대한 정보를 인간의 뇌로 전달받아 벼락치기 공부도 가능할 것이다. 이렇게 인간과 컴퓨터 사이의 소통이 자유자재로 이뤄진다면, 뇌와 AI의 장점을 모두 살린 신인류가 등장할 수도 있을 것이다. 말이나 동작을 할 필요 없이 생각만으로 서로 의사를 소통하거나, 자동차 등 기계를 조작하는 영화 같은 일도 실현될 수

과학과 놀자
공기로부터 쌀과 빵을 생산한 기술 '암모니아 합성'

원유를 끓는점 차이로 분리·정제해 나프타, 휘발유, 경유, 등유, 아스팔트 등을 생산하는 것이 정유산업이라면, 정유산업에서 나온 나프타 또는 천연가스를 가지고 다양한 물성(물질의 성질)의 재료를 만드는 분야가 석유화학산업이다. 우리 소지품의 70% 이상이 석유화학 관련 제품이지만, 우리에게 석유화학산업은 낯선 느낌이다. 석유화학산업의 사업 범위가 넓고, 우리와 간접적으로 연결돼 있기 때문에 명확한 이미지를 그리기 힘들 수 있다. 우리 삶에 가까이 있지만 멀게 느껴지는 석유화학산업에 대해 알아보자. 새로운 재료를 만들다정유산업에서 끓는점 100도 이하인 탄화수소 혼합물을 모아 경질나프타를 생산하며, 보통 석유화학산업의 원료로 사용한다. 석유화학산업에서 탄소 개수가 2~5개인 경질나프타를 높은 온도(800~850도)에서 열분해해 수소 및 탄소 개수가 1~10개 이상까지 다양한 성분을 얻을 수 있다. 대표적인 열분해 생성물은 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 중질유분 등이 있다. 혼합물을 정제해 각각 99% 이상의 순수한 물질(단량체·monomer)을 얻으며, 레고처럼 이들을 같은 혹은 다른 성분들과 조립해 더 분자량이 큰 물질(고분자·polymer)을 합성한다. 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC) 등 이렇게 합성한 고분자들은 쌀 알갱이 형태로 다른 회사에 납품되기 때문에 ‘산업의 쌀’로 부르기도 한다. 석유화학제품은 소비자가 바로 사용할 수 없지만, 가공을 통해 우리 삶에 밀접한 자동차, 전자제품, 섬유, 식품용기 재료로 활용된다. 천연재료(철, 알루미늄, 목재, 면, 양모 등)를 대체하기 위해 가격이 저렴하고 물성이 좋은
과학과 놀자
식물의 키, 성장 호르몬 '지베렐린'이 결정한다

식물은 종자에서 싹이 트고 자라서 꽃이 피고 열매를 맺으면서 일생(life cycle)을 마친다. 이 과정에는 많은 종류의 식물호르몬이 관여한다. 식물호르몬은 식물체 내에서 생산돼 미량으로도 다양한 생리작용을 조절하는 유기화합물이다. 지금까지 밝혀진 식물호르몬은 옥신, 사이토키닌, 지베렐린, 아브시스산, 에틸렌, 브라시노스테로이드, 살리실산, 자스몬산 등 10종이 있다. 이 가운데 지베렐린(gibberellic acid, GA)은 식물의 키(신장)를 조절하고 종자발아 촉진 등에 관여하는 물질이다.사람에게도 성장호르몬이 있어 키가 작은 어린이를 크게 하는 데 사용하듯이 식물에서도 전통육종에 의한 방법 외에 화학물질, 유전자변형으로 키를 조절할 수 있다. GA 발견의 역사, 생체에서 만들어지는 과정(생합성 과정), 농업적 이용 그리고 분자육종에 대해서 알아본다. 지베렐린(GA)의 발견GA 연구는 1920년대 일본의 식물병리학자에 의해 시작됐다. 벼농사를 위한 못자리에서 벼를 연약하고 웃자라게 하는 병의 원인을 규명하려는 것이 시작이었다. 당시 벼가 웃자라서 농사에 피해를 주기 때문에 벼 키다리병으로 불렸는데, 이를 예방하기 위해 못자리용 벼 종자를 반드시 소독을 해야 했다. 지금은 벼농사용 묘를 공장에서 건전하게 생산하고 있어 벼 키다리병을 볼 수 없다. 못자리 농사가 반(半)농사라 할 정도로 묘를 튼튼하게 키우는 것은 지금도 중요하다. 도쿄대 농화학자들은 많은 시행착오 끝에 벼를 웃자라게 하는 원인이 벼에 감염된 곰팡이(Gibberella fujikuroi)가 생산하는 물질(독소)인 것을 발견하고 1938년 GA를 분리하게 된다.초기의 GA는 몇 종류의 곰팡이에서 발견되다가 1950년대 식물에 보편적으로 존재하
과학과 놀자
인공지능은 인공신경그물망을 쌓은 복잡계처럼 작동케 해

'스타워즈: 더 만달로리안'을 직접 보지 않더라도 우리는 이 TV 드라마 시리즈가 얼마나 재미있는지를 소문을 통해 안다. 사전을 찾아보면 '사람들 입에 오르내려 전하여 들리는 말'을 일컬어 소문이라고 한다. 그렇다, 사람들 사이에 전달되는 일이 없다면 우리는 알 길이 없다. 사람들이 말로 전달하는 것은 무엇일까? 바로, 정보(information)다. 사람들을 개개의 '생각하는 입자'로 본다면 이들이 상호작용하면서 정보를 퍼뜨리는 셈이다. 정보가 퍼지느 과정은 이들 사이에 사회 관계망(그물)에 따라 다르게 보여진다.친구가 무척 많은 사람이 정보를 퍼뜨리는 것과 여러 이유로 주변에 친구가 별로 없는 사람이 정보를 퍼뜨리는 것은, 소문의 초기에 아주 다르게 나타난다. 친구가 적거나 소통을 적게 하는 사람으로부터 소문이 시작됐지만, 어느 시점에 친구가 많은 사람에게 소문이 도달해야만 그때부터 소문이 퍼지는 속도는 걷잡을 수 없게 된다. 소문은 어떻게 퍼지는가물론 각각의 사람이 다른 사람들과 어떻게 관계를 맺고 영향을 미치는지를 이해한다고 해도 사람들이 모여서 이루는 사회현상 전체를 바로 이해하기는 어렵다. 한 가지 물질을 이해하기 위해 아주 작은 단위(원자)로 쪼개어 그들 사이의 상호작용을 이해한다고 할지라도 물질의 특징 전부를 알 수는 없는 것과 같은 이치다. 그러나 개별 입자를 바라보는 시각에서 몇 발자국 물러나 이들이 어떻게 전체를 조직하는가(짜임)를 그려내면 비로소 전체의 거동을 이해할 수 있다. 나무를 알고 나무들이 어떻게 심어져 있는지를 안다면, 이들이 이루는 숲의 형상을 이해할 수 있는 것과 마찬가지다.개개 입자의 거동과 이들
과학과 놀자
끓는점 차이 이용해 원유를 LPG·휘발유·경유 등으로 분리

화학공학과에서 자주 듣는 질문 중 하나는 '석유는 언제쯤 고갈될까'이다. 흥미로운 사실은 2018년 원유의 가채연수(확인 매장량을 현재의 연간 생산량으로 나눈 값으로 앞으로 채굴 가능한 기간을 의미)는 50년인데, 30년 전에 예상한 가채연수는 43년이었다. 매년 엄청난 양의 석유가 사용되지만, 매장량은 오히려 늘어난 이유는 무엇일까? 매장량의 간단한 정의는 '불확실성 없이 검증된 기술로 상업적으로 생산할 수 있는 양'이다. 반면, 시추로 확인했지만 상업적으로 생산하기 힘든 경우 '발견 잠재 자원량'이라고 하며, 석유가 있을 가능성은있지만 시추로 확인하지 못한 경우를 '탐사 자원량'이라고 한다.두 자원량은 매장량에 포함되지 않지만 유가 상승, 정부 규제 완화, 또는 생산기술 발전에 따라 매장량으로 편입될 수 있다. 게다가 석유자원 개발 회사가 원활한 회사 운영을 위해 40~50년간의 매장량을 확보하기 때문에 그동안 가채연수는 40~50년으로 유지돼 왔다. 석유란 무엇일까석유(petroleum)는 암석을 뜻하는 그리스어 petro와 기름을 뜻하는 라틴어 oleum이 합쳐져 만들어졌다. 정제하지 않은 석유를 원유라고 하며, 이를 증류와 같은 정유공정을 통해 만든 제품을 석유제품이라고 한다. 석유는 탄소 87~83%, 수소 14~10%, 질소 2.0~0.1%, 산소 1.5~0.05%, 황 6~0.05%, 금속(바나듐, 니켈, 철 등) 1000ppm 이하 질량비율로 이루어져 있다. 석유는 액체이므로 수송 및 사용이 용이하고 열량이 높고 불순물이 적어 완전연소가 가능한 장점이 있다. 정유산업: 끓는점 차이로 제품을 나누다정유산업은 정육점과 비슷한 특징을 가진다. 정육점에서는 도축된 소를 뼈와 근육을 기준으로 안심, 등심

1 2 3 4 5 6 7 8 9