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자연으로 돌아간 다이아몬드 - 유리칼 목록

조회 : 17555 | 2009-02-02


DIY. ‘네 스스로 직접하라’는 'Do It Yourself'의 줄임말이에요.
2차 세계대전 후 영국에서는 어려운 경제 상황을 극복하기 위한 절약 운동으로서 집과 가구를 직접 수선하면서 검소한 생활을 하자는 DIY 운동을 펼쳤습니다.

따라서 DIY에서는 톱으로 나무를 자르고, 망치로 못을 박고, 드라이버로 나사를 조이는 작업은 기본이에요.
그런데 유리는 어떻게 자르나요?
바로 유리칼을 이용하지요. 종이를 자르거나 연필을 깎는 칼이 아닌 유리칼을 본 적이 있나요?

유리칼에는 모스경도가 가장 높은 다이아몬드가 박혀 있어요.
그렇다면 다이아몬드 유리칼은 얼마일까요?
놀라지 마세요. 만원이면 살 수 있어요. 너무 싼가요?





그림. 다이아몬드 유리칼과 다이아몬드




1) 다이아몬드와 흑연
1980년대 초까지 알려져 있는 순수한 탄소로만 된 화합물은 다이아몬드와 흑연입니다.
즉 이들은 탄소로만 이루어진 동소체이지요.
동소체란 같은 원자로만 구성되어 있으나, 원자의 배열과 결합 방식이 다른 홑원소 물질입니다.
즉 다이아몬드와 흑연은 탄소의 배열과 결합 방식이 서로 다른 화합물입니다.
어떻게 다른가요?

다이아몬드는 탄소 원자들이 정사면체 구조를 형성하면서 3차원적으로 연결되어 있는 반면에 흑연은 탄소가 2차원 평면에 6각형으로 배열되기 있어요.
이러한 구조의 차이로 인해 두 물질의 물리적인 특성이 완전히 다른 것입니다.



그림. 다이아몬드와 흑연의 구조
탄소

 




그런데 이러한 동소체는 온도와 압력을 조절하면 서로 변환이 될 수 있어요.
따라서 흑연을 높은 온도와 압력에서 다이아몬드로 바꿀 수 있어요.
따라서 다이아몬드 유리칼의 다이아몬드는 이러한 합성 다이아몬드나 혹은 질이 낮은 천연 다이아몬드로 만들기 때문에 가격이 싼 것입니다.

자! 그럼 다이아몬드 유리칼과 여러 공구에 대하여 알아볼까요?



1) 유리칼
다이아몬드 유리칼은 매우 단단하며, 마모가 잘 되지 않고 열팽창계수가 작기 때문에 오래 사용할 수 있어요.
그러나 다이아몬드의 날은 매우 날카롭기 때문에 유리를 자를 때 각도를 잘 맞추어야 합니다.
아래 사진에서는 빛이 다이아몬드를 통과하면서 굴절되어 반대쪽에 무지개가 생겼네요.



그림. 다이아몬드 유리칼과 날(500배)



또한 다이아몬드 대신에 초경합금을 사용하여 만든 오일 유리칼이 있어요.
초경합금이란 코발트와 같은 금속을 10 % 정도 섞은 텅스텐카바이드(WC)를 높은 온도에서 열처리하여 단단하게 만든 세라믹이에요.

세라믹이란 높은 열을 가해 만든 비금속 무기재료를 말하지요.
예를 들어 도자기, 시멘트, 유리와 최근에 각종 전자기적 성질을 나타내는 파인세라믹스 등이 있습니다.



그림. 오일 유리칼의 초경합금



그러나 초경합금은 열팽창계수가 크기 때문에 유리를 자를 때 생기는 마찰열에 의해 손상될 수 있습니다.
열팽창계수가 큰 유리를 가열했다가 찬 물에 담그면 깨지는 것과 같지요.
이러한 열을 식히기 위해서 오일을 사용합니다.
다음은 오일 유리칼의 날인 초경합금입니다. 다이아몬드와는 다르지요?



그림. 오일 유리칼의 초경합금 날(50배와 500배



그렇다면 실제로 유리를 잘라볼까요?
자를 대고 유리칼로 유리에 흠집을 낸 다음에 양 끝을 손으로 잡고 힘을 살짝 가하면 쉽게 반으로 쪼개집니다.
그렇다면 유리 외에 나무나 금속, 돌 등을 자를 때에는 어떤 공구를 이용할까요?



그림. 다이아몬드 유리칼로 자른 슬라이드 글라스와 자른 면


2) 톱
나무를 자르거나 켜는 데 사용하는 톱은 용도에 따라 등대기톱, 양날톱, 쥐꼬리톱, 붕어톱, 활톱(쇠톱) 등이 있어요.

이때 자른다는 것은 나무의 결과 직각으로, 켠다는 것은 결과 수평으로 톱질한다는 뜻입니다.
따라서 자르는 톱과 켜는 톱의 날은 모양은 달라요.
일반적으로는 나무의 방향과 관계없이 켜거나 자를 수 있는 복합형을 사용합니다.




톱


톱니를 위에서 내려다보면 날이 엇갈려 있는 데, 이를 날어김이라 합니다.
날어김은 톱의 왕복하는 길을 톱의 두께보다 넓게 하여 마찰을 감소시키고 톱밥을 잘 배출시키기 위한 거예요.
자르는 톱과 켜는 톱의 날어김 모양이 다르지요?



그림. 자르는 톱의 톱니 모양(50배)
톱니


이외에도 가느다란 실톱을 많이 사용합니다.
그 중에 스크루 모양의 톱날이 있는 만능톱은 상하, 좌우 및 곡면 등 다양한 모양을 자유자재로 절단할 수 있지요.
또한 유리칼에 사용하는 초경금속이나 다이아몬드 등을 톱에 붙인 실톱도 있어요.
이 톱은 금속, 돌 등도 자를 수 있답니다.



그림. 켜는 톱의 톱니 모양(50배)
톱니

 

 

 



그림. 만능톱의 톱날과 절단 모양





톱


연필을 깎거나 종이를 자를 때 사용하는 커터 칼날과 면도할 때 사용하는 면도날은 비슷한 것 같지만 면도날이 훨씬 더 날카로워요.

 



그림. 커터 칼날과 면도날(50배)



면도를 하고 난 후의 면도날을 살펴볼까요?
물로 세척한 면도날의 표면의 투명하고 얇은 조각들이 보이나요?
바로 피부의 표피세포들이 면도날에 의해 벗겨진 것입니다.

 



그림. 면도를 하고 난 후의 면도날 표면(500배)


3) 영원한 사랑 = 다이아몬드?
영원한 사랑을 상징하는 다이아몬드! 정말 영원할까요?

화학의 아버지라 불리는 ‘라부아지에’는 커다란 렌즈로 햇빛을 모아 다이아몬드를 태운 적이 있습니다.
물론 다이아몬드는 높은 온도에서 산소와 반응하여 이산화탄소가 되어 공기 중으로 날아가 버렸지요. 왜 그랬을까요?

17~8 세기에는 나무가 타는 현상을 플로지스톤설로 설명했어요.
즉 나무 안에 있던 플로지스톤이 공기 중으로 빠져나가서 재만 남기 때문에 무게가 감소한다는 것이지요.
그러나 금속을 태우면 오히려 무게가 증가하는 것을 설명할 수 없었어요.





그래서 ‘라부아지에’는 밀폐된 용기에 금속을 넣고 연소시켰어요.
이때 반응 후의 무게는 변화가 없었는데, 뚜껑을 열자 무게가 증가했지요.
즉 금속과 산소의 반응으로 밀폐된 용기의 압력이 낮아졌기 때문에 뚜껑을 열자 공기가 들어와 무게가 늘어났던 것이지요.

따라서 연소는 나무에서 플로지스톤이 빠져나오는 것이 아니라 공기 중의 산소와 반응하여 물이나 이산화탄소가 생기는 현상이라는 것을 알았지요.
이로부터 산소라는 기체의 역할을 알게 되었고, 2000년 동안 유지되었던 플로지스톤설 대신에 새로운 과학의 시대가 열렸던 것입니다.
이 실험에서 사용했던 것 중의 하나가 바로 다이아몬드였습니다.
영원한 사랑을 의미하는 다이아몬드도 ‘라부아지에’의 도전과 탐구 정신을 막을 수는 없었던 것입니다.



4) 새로운 탄소 형제들
탄소로 이루어진 동소체로서 다이아몬드와 흑연 외에 다른 것은 없나요?
‘크로토’, ‘컬’, ‘스몰리’는 우주 성간 물질의 스펙트럼으로부터 분자량이 720 g/mol인 탄소 화합물을 발견하지요.
즉 탄소의 원자량이 12 g/mol이기 때문에 탄소가 60개인 화합물이었습니다.
이것은 어떤 구조를 갖고 있을까요?

‘스몰리’는 20개의 정육각형과 12개의 정오각형으로 이루어진 축구공의 꼭짓점이 60개라는 것으로부터 이 분자의 구조는 축구공과 같다고 예상하고 ‘벅민스터풀러렌’이라고 부릅니다.
실제로 풀러렌은 축구공과 같은 구조임이 밝혀졌고, 위 세 사람은 노벨화학상을 받았습니다.
풀러렌을 합성할 때 탄소수를 계속 늘려나가면 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 튜브 모양을 형성하는 데, 이를 탄소나노튜브라고 합니다.





그림. 풀러렌과 탄소나노튜브의 구조
탄소튜브


이처럼 현재까지 발견된 탄소 형제들,
즉 탄소의 동소체는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌, 탄소나노튜브 4형제들입니다.
더 있을까요?
만약에 여러분이 탄소의 새로운 동소체를 찾는다면 여러분도 노벨상을 받을 수 있겠지요?



Quiz. 이것은 무엇일까요?
추운 겨울날! 건물 밖에서 추위에 떨고 있는 아저씨들이 보았나요?
전에는 TV 드라마에서 주인공들이 감정을 표현하기 위하여 담배를 피우거나 술을 마시는 장면들이 많았지만 지금은 청소년들에게 나쁜 영향을 끼치기 때문에 이러한 장면들이 많지 않습니다.

시인이셨던 오상순 선생님은 담배 피우는 것을 너무 좋아 하셔서 공초(空超, 空草)라는 호까지 있습니다.
공초를 된소리가 나게 읽으면, ‘꽁초’가 되지요.
1894년에 출생하신 선생님은 운명을 받아들이는 순응주의와 방랑과 담배연기, 고독에 대한 시를 많이 남기셨어요.

그런데 몸에 해로운 담배를 왜 피울까요?
처음에는 호기심으로 시작해서, 차츰 심리적인 안정을 위해서라고 하지만, 나중에는 중독이 되어 담배를 끊기 어렵게 된답니다.




담배

 

그렇다면 이것(50배)은 무엇일까요?
마치 괴물과 같은 이것은 생산지와 건조 방법에 따라 성분이 조금씩 다르기 때문에 이들을 적절히 혼합하여 다양한 종류의 담배를 만들 수 있다고 합니다.
이러한 담배를 끊기 어렵게 하는 담배의 주성분은 무엇일까요?



주제!
물질 ,변화
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