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< 김선영 기자 > 유리는 실제로 고체가 아닌 매우 아주 느리 게 흐르는 액체이다. 수백 년 된 교회에 가서 유리창을 살펴보면 유리창이 상단보다 하단 이 더 두껍다는 것을 알 수 있다. 이것은 여러 가지 이유로 신화처럼 들린다. 가장 간단하게 는 창문 바닥의 유리 두께는 옛날에 유리판이 어떻게 제조되었는지에 따라 설명할 수 있다. 그 당시에는 유리 형태를 평평한 디스크로 회 전시켜 평평한 창을 만들었기 때문에 완제품 의 두께가 고르지 않았다. 그러나 과학적 설명으로는, 유리를 간단하 게 정의하지 못한다는 사실이다. 유리는 매 우 느리게 움직이는 액체보다 훨씬 이상한 성 질을 가지고 있다. 사실, 유리는 세계에서 가 장 흔하고 유용한 재료 중 하나다. 하지만 창 문을 감싸고, 휴대폰을 덮고, 장미 줄기를 섬 세하게 잡는 등 과학자들은 여전히 그것이 근 본적으로 무엇인지에 대해 깊은 의문을 가지 고 있다.

유리의 물질적 특성은 액체 케임브리지 대학의 이론 물리학자인 카밀 스칼리엣( Camille Scalliet) 에 따르면 유리 는 우리가 가지고 있는 액체, 고체, 기체의 매 우 단순한 범주를 초월한다. 유리의 이러한 특이함에 당황한 과학자들은 여럿이다. 전 세 계의 물리학자, 화학자 그리고 기타 전문가들 이 그 비밀을 풀기 위해 다양하게 시도하고 있다. 유리가 액체와 같은 성질을 가지고 있 다는 것은 사실이다. 그러나 놀랍게도 유리는 흐름이 아니라 전혀 움직이지 않는다. 2017 년 과학자들은 교회 유리 신화를 분석해 10 억 년 동안 교회 창유리가 1 나노 미터로 흐를 것이 라고 단정했다. 나노미터는 10 억 분의 1 미터 이며 무한히 작은 단위다. 종이 한 장의 두께 는 약 100,000 나노미터다.

그리고 이 발견은 유리의 가장 깊은 신비 에 더 가까이 다가가게 만든다. 과학자들이 고심하는 질문은 " 왜 흐르는가 " 가 아니다. 대 신, " 유리가 왜 고체인지 정말로 알지 못하는 것 " 이라고 말한다. 유리에 대한 완전한 이해 는 만족스러울 정도로 새로운 영역의 개척을 의미한다. 유리는 이 물질이 수십억 년에 걸 쳐 어떻게 변했는지를 알려줄 것이고, 그 최 종 형태에 대해 보여줄 것이다. 유리의 특정 형태가 새로운 물질 상태로 간주될 수 있는지 여부를 배울 수 있다. 유리를 더 잘 이해하면 아직 존재하지 않는 재료를 만들 수 있다. 우리가 아직 상상할 수 없는 특성을 가진 더 강하거나 구부러지는 유 리를 개발할 수 있다. 그러나 현재로서는 이 런 지식이 없다. 유리의 기이함을 설명하려면 일반적으로 액체와 고체를 구별하는 것이 무 엇인지 생각하는 것부터 출발해야 한다. 고체 와 액체는 모두 원자와 분자로 구성된다. 온 도는 이런 구성 요소가 배열되는 방식을 변경 한다. 더 낮은 온도는 분자를 응고시킨다. 온 도가 높을수록 육즙이 많다. 중요한 차이점은 분자의 미세한 규모에서 볼 수 있다. 액체에 서 분자는 매우 무질서하다. 그들은 서로 움 직이고 흐른다. 확대해 개별 분자를 볼 수 있 다면 무작위로 채워지고 매우 빠르게 움직일 것이다.

다양한 설명에는 열역학에 대한 매우 수학 적인 해석이 호출이 포함된다. 그러나 요컨 대, 과학자들은 스냅 샷에서 볼 수 없는 이 시 스템에 대한 더 깊은 질서를 찾고 있다. 결정

구조를 가리켜 식탁용 소금의 견고성을 설명 할 수 있는 것처럼 유리의 견고성을 설명할 수 있는 이론이다. 그 비밀은 시간이 지남에 따라 분자의 집단 행동과 액체가 고착됨에 따 라 서로 어떻게 영향을 미치는지에 기인할 것 이다. 그러나 이것은 풀기에는 너무 복잡한 시스템이다. 엄청난 수의 원자와 분자를 보는 일종의 대규모 집단 현상이다. 유리에 대한 많은 이론은 분자가 어떻게 함께 모이는지를 이해하는 것에 초점을 두고 있다.

유리의 기본 정의 클럽에서 춤을 추는 사람들의 군중과 같은 액체를 생각할 수 있다. 그들은 활기차고, 꽉 차 있고, 진동한다. 그들은 서로 움직이고, 부 딪치고, 갈고, 음악에 맞춰 춤을 출 수 있다. 댄서들의 스냅 샷을 찍으면 혼란스럽고 뒤죽 박죽 엉망진창처럼 보이는데 그것은 액체이 기 때문이다. 고체는 훨씬 더 길들여진다. 일 반적으로 생각하는 것처럼, 고체는 분자의 구 조화되고 질서정연한 패턴인 결정으로 구성 된다. 온도가 내려가면 원자와 분자가 규칙 적인 기하학적 패턴으로 정렬된다. 댄스 클 럽을 비유하면 서로를 지나쳐 기복이 있는 대 신 춤을 멈추고 콘서트 좌석에 앉아있다. 그 들은 극장의 온도 조절기가 절대 0 으로 설정 되지 않는 한 여전히 그 좌석에서 약간 꿈틀 거릴 수 있지만 대부분 제자리에 고정되어 있 다. 그래서 그것은 결정질 고체라 할 수 있다. 간단하고 서로 쉽게 구별된다. 유리는 그 중 어느 것도 아니지만 여전히 각각의 일부 특성 을 유지한다. 유리가 어떻게 형성되는지에 대한 가장 간 단한 설명은 결정이 형성되기에는 너무 빨리 냉각되는 액체라는 점이다. 따라서 분자는 혼 란스러운 액체와 같은 배열로 제자리에 고정 되어 있다. 붐비는 댄스 공간에 있고 화장실 을 사용해야 한다고 상상해 보면 거기에 가려 고 할 때, 많은 댄서들이 움직이지 않기로 결 정한다. 그런 일이 발생하면 댄스 플로어를 가로질러 탐색하기가 점점 더 어려워진다. 파 트너와 함께 있고 단지 장소를 교환하고 싶다 면, 너무 막혀서 다른 사람들을 움직여야 하 기 때문에 그렇게 할 수 없다. 그리고 만약 움직일 수 없을 때, 다른 사람 들이 주위를 움직이는 것을 더 어렵게 만든 다. 그래서 점차적으로, 아주 갑자기, 전체 댄 스 플로어가 꽉 차게 된다. 질서정연한 기하 학적 패턴이 아닌 제자리에 고정되어 있을 수

밖에 없다. 유리가 바로 이런 상태다. 그리고 제 시간에 화장실에 가지 못하게 된다. 나노 미터를 움직이는 데 수십억 년이 걸리기 때 문이다. 제자리에 잠겨 있는 액체, 이것이 유리의 기 본 정의다. 과학적으로 말하면“ 비정형 고체 " 다. 그리고 이것은 창문에 걸려 있거나 휴대 폰을 덮는 실리카 기반 유리뿐만 아니라 많은 재료에 적용된다. 유리를 생각할 때 물을 마 시는 유리잔이나 창문 유리를 떠올리게 된다. 하지만 현실에는 유리처럼 행동하는 다른 재 료가 많이 있다. 일부 플라스틱은 호박과 같 은 천연 재료와 마찬가지로 유리로 간주된다. 그리고 세포의 일부는 유리와 같은 것으로 간 주된다. 휘핑 크림과 같은 거품조차도 유리와 같다. 이 모든 형태의 유리를 연결하는 기본 메커니즘을 찾는 것은 물리학자에게는 새로 운 흥미로운 주제다. 유리의 분자 구조와 액 체의 분자 구조를 사진으로 찍으면 똑같이 보 인다. 그렇다면 왜 한 흐름과 다른 흐름이 제 자리에 고정되어 있는 것일까?

유리의 실체는 무엇 실용적인 측면에서 과학자들이 유리에 대한 완전한 이론을 가지고 있지 않다는 것이 중요 하다. 하나는 과학자들이 결정질 고체만큼 유 리를 이해하지 못한다는 것을 의미한다. 결정질 고체의 경우 단순한 결정 구조만 보 고 고체의 많은 특성을 예측할 수 있다. 결정 질 고체에서 분자의 배열을 아는 것만으로도 고체가 열을 흡수하는 방법을 이해할 수 있 다. 그러나 유리의 경우 알려진 기본 구조를 가지고 있지 않아 근본적으로 무한한 배열을 가지고 있다. 즉, 유리의 특성을 예측하기가 어렵다. 유리를 조각내 어떻게 깨지는지, 가 열해 열을 유지하는 방법을 배운다. 따라서 새로운 유형의 유리 제조는 약간의 시행착오 를 거쳐야 한다. 그러나 완전한 이론이 없기 때문에 과학자들은 유리가 실제로 무엇인지 에 대한 근본적인 질문을 남긴다.

액체가 되는 것을 멈추고 유리가 되기 시 작하는 시점을 정확히 말하기는 어렵다. 명 확한 경계는 없다. 현재 기본적으로 액체와 유리를 분리하는 매우 인간 중심적인 방법을 가지고 있을 뿐이다. 유리는 수백만 년, 수십 억 년 동안 여전히 조금씩 흐를 것이기 때문 이다. 또한 엄청난 기간 동안 유리가 결국 결 정화되어 전형적인 고체가 될 수도 있다. 이 런 관점에서 유리는 " 결정으로 가는 과정에

미끄러지는 " 액체일 뿐이라고 화학자는 주장 하기도 한다. 그러나 또 다른 흥미로운 가능성이 있다. 결 정화 대신에, 매우 오랜 기간 동안, 유리는 완 벽한 무질서의 상태에 더 가까워질 수 있다는 점이다. 상자와 크기가 다른 여러 상자가 있 고 유- 홀( U-Haul) 의 뒷면에 모두 포장하려 고 한다고 가정하면 유- 홀( U-Haul) 뒤쪽에 있는 모든 상자를 짜낼 수 있고 다른 상자를 위한 공간이 없고 이를 수행할 수 있는 상자 구성이 하나뿐이라면 빈틈없이 채우는 것은 불가능해진다. 완벽한 무질서를 달성한 유리 는 이상적인 유리다. 휴대폰 앞면에 가장 적 합한 비유가 된다는 점에서 유리는 이상적이 지 않다. 결정화되지 않고 구성 요소를 최대 한 포장한다는 점에서 이상적이 된다. 더 단 단하게 만들고 싶다면 크리스탈을 갖기 시작 해야 할 것이다.

이상적인 유리 존재할까?

문제는 이상적인 유리가 실제로 존재할 수 있는지, 유리를 만들거나 재료를 사용할 수 있는지 아무도 확신하지 못한다는 것이다. 흥 미진진한 발견이 될 것이지만, 이 물질은 틀 림없이 완전히 새로운 물질 단계를 나타낸다. 실험에서 유리를 가능하면 이상적으로 만들 기 위해 몇 가지 실험을 수행해 분자를 한 번 에 하나씩 물질에 포장했다. 그런데 문제는 이상적인 유리에 가까울수록 모든 것이 더 오 래 걸린다는 사실이다. 유- 홀( U-Haul) 을 포 장하는 측면에서 볼 때 상자가 하나 남았는데 잘 맞지 않는 것과 같다. 또한 1 억 년이 넘은 호박 조각에 대한 연구 도 이 물질이 지구에서 오랜 시간 동안 더 이 상적인 상태로 진화했는지 확인시켜 준다. 그 러나 그 질문은 아직 풀리지 않은 채로 남아 있다. 이상적인 유리가 존재한다면 과학자들 이 더 일반적인 종류의 유리를 더 잘 이해하 는 데 도움이 될 수 있다. 이상적이지 않은 유 리의 견고함은 부분적으로 완벽하게 무질서 한 것에 얼마나 가까운 지 여부로 설명할 수 있다. 유리가 이상적인 상태에 가까울수록 스 스로 재구성할 수 있는 능력이 줄어들고 재구 성하는 데 더 오래 걸리기 때문이다. 그리고 움직이는 데 오랜 시간이 걸리는 시스템은 뻣 뻣한 것이라 할 수 있다. 이상적인 유리를 찾는 것은 대부분 현실과 동떨어진 아이디어로 씨름하는 학문적 탐구 다. 그러나 그것을 발견하면 유리의 특성을 더 잘 예측하고 새로운 유리를 엔지니어링하 는 데 도움이 될 수 있다. 이상적인 분자 포장 이 어떻게 생겼는지 확인할 수 있다면 안경 의 궁극적인 특성이 무엇인지 알 수 있다. 유 리의 본질에 대한 더 깊은 통찰력은 과학자들 이 더 나은 유리를 설계하는 데 도움이 될 수 있다. 주어진 무질서한 구조에서 물리적 특성 이 어떻게 나타나는지 이해하면 구부러지거 나 깨질 가능성이 적은 스마트폰 화면처럼 새 로운 재료를 만들 수 있다. 또는 핵폐기물을 점점 더 오래 가둘 수 있는 유리를 만드는 것 도 가능해진다. 미래는 더 발전된 안경을 기반으로 할 수 있 다. 그러나 지금은 유리가 무엇인지에 대해 이해하는 것만으로도 감사할 수 있다. 강렬 하게 유용하고 댄스 플로어처럼 흐르지만 보 석처럼 단단하다는 것은 알게 되었다. 그리고 수백 년 된 창문의 깊고 아름답게 두께가 달 라진 이유는 여전히 알지 못하고 있다.