책 속의 한 구절
우리는 스스로가 문명화됐다고 생각하는데, 바로 그 문명화는 상당 부분 재료가 풍요로워진 덕분에 이루어질 수 있었다. 이런 물질이 없다면, 우리는 금세 동물이 맞닥뜨리는 것과 똑같은, 생존을 위한 투쟁에 직면하게 될 것이다. 그렇다면 어느 정도까지는 우리를 인간답게 행동하게 하는 것이 우리의 옷, 집, 도시, 그리고 우리가 문화와 언어를 통해 활기를 불어넣는 온갖 사물들 덕분이라고 할 수 있다.
재료의 세계는 단지 우리의 기술과 문화를 전시하는 게 아니라 우리의 일부다. 우리는 그것을 발명하고 만들었으며, 반대로 그것은 우리를 우리답게 만들어준다.
산업혁명의 기반이 된 철과 강철은 경험에 의존해서만 만들 수 있었다. 즉 직관에 의한 어림짐작, 주의 깊은 관찰, 그리고 엄청난 운이 당시 강철 제조법의 유일한 비결이었다.
금속은 결정으로부터 만들어진다. 보통 면도날은 수십억 개의 결정을 지니고 있고, 각각의 결정은 원자가 아주 특정한 방향, 거의 완벽한 3차원 패턴으로 배열돼 있다. 원자 사이의 결합을 통해 금속 원자는 제자리에 위치할 수 있고, 결정은 강도를 갖게 된다.
면도날이 무뎌지는 것은 수염과 충돌해 이런 결정의 상당수가 다른 모양으로 재배열되기 때문이다. 결정이 재배열되면 원자 사이의 결합이 끊어지거나 새로 만들어지면서 매끈한 면도날 모서리에 미세한 흠이 생긴다.
전자현미경으로 보면, 작은 금속 조각의 결정은 마구잡이로 포장된 도로처럼 보이고, 결정의 안쪽에는 구불구불한 선이 있다. 이 선을 ‘전위dislocation’라고 한다. 전위는 금속결정에 생긴 결함으로, 이곳에서 원자는 평소의 완벽한 배열을 잃고 일종의 불연속성을 지니게 된다.
클립을 구부린다고 해보자. 이때 실제로 구부러지는 것은 금속의 결정이다. 만약 결정이 구부러지지 않는다면 클립은 막대기처럼 부서지거나 뚝 부러지고 말 것이다. 이렇게 모양을 다시 만들 수 있는 성질(가소성)은 결정 안에서 전위가 움직임으로써 생긴다
금속의 녹는점은 금속 원자가 서로 얼마나 강력하게 결합돼 있는지를 나타내는 지표이기도 하지만, 전위가 얼마나 쉽게 움직일 수 있는지 여부에 영향을 미치기도 한다. 납은 녹는점이 낮고 따라서 전위도 터무니없을 만큼 쉽게 이동한다. 납이 부드러운 금속이 된 것도 이 때문이다. 구리는 녹는점이 높고 단단하다. 금속을 가열하면 전위가 움직여 스스로 다시 조직하게 되는데, 그 결과 중 하나가 금속이 물러지는 것이다.
합금은 몇 가지 단순한 이유 때문에 순수한 금속보다 강하다. 합금 원자는 크기가 다르고, 원래의 금속 원자 안에서 벌어지는 것과 화학반응도 다르다. 그래서 합금 원자가 원래의 금속 안에 자리 잡고 나면, 온갖 종류의 기계적·전기적 방해를 일으키고 여기에 더해 한 가지 중요한 변화도 일으킨다. 전위가 움직이기 어렵게 만드는 것이다. 만약 전위가 움직이지 못하면 금속의 결정이 모양을 바꾸기 어렵기 때문에 금속이 더 강해진다.
사무라이의 혁신은 탄소 함량이 높아 단단하지만 잘 부러지는 강철과, 잘 부러지지 않는 질긴 성질을 갖지만 상대적으로 부드러운 저탄소 강철을 따로 구분한 것이었다. 그들은 강철 덩어리의 생김새와 손에서 만져지는 느낌, 부딪혔을 때 내는 소리만으로 이 과정을 해냈다. 서로 다른 종류의 강철을 구분한 다음에는 저탄소 강철이 칼의 중심부에 오도록 했다.
이로써 칼은 상당히 질긴 성질을 갖게 돼, 전투에서 잘 부러지지 않게 되었다. 칼날에는 탄소 함량이 높은 강철을 용접했다. 이 강철은 잘 부러지기는 했지만 대단히 단단하고 날카롭게 만들 수 있었다.
크롬은 주인인 철 원자가 산소와 결합하기 전에 먼저 반응했다. 이렇게 해서 만들어진 산화크롬은 투명하고 단단하며 철과 아주 잘 달라붙는 광물이었다. 다시 말해 산화크롬은 벗겨지지 않았고, 거기 있다는 사실조차 알아차리기 어려웠다. 크롬은 눈에 보이지 않는 화학 보호막을 강철 표면 전체에 씌웠다. 더구나 이 보호막은 손상됐을 때 스스로 치유되는 능력도 있다. 스테인리스 스틸이 긁혀서 보호막이 망가졌다 해도, 이 합금은 다시 막을 만든다.
스테인리스 스틸은 복잡한 모양으로 만들 수 있었고, 덕분에 가장 영향력 있는 영국의 조각품 중 하나가 됐다. 오늘날 이 조각품은 모든 집에 하나씩 있다. 바로 주방의 싱크대다.
100년이 채 안 되는 시간 동안 스테인리스 스틸은 우리에게 가장 친숙하고 가까운 금속이 됐다. 우리는 이 금속을 매일 입안에 넣는다. 왜냐하면 브리얼리가 스테인리스 스틸로 나이프와 포크 등 식기를 만드는 데 성공했기 때문이다. 산화크롬으로 된 투명한 보호막 덕분에 우리는 스푼에서 아무 맛도 느끼지 못한다. 혀는 금속에 닿지 못하고 타액도 반응하지 못한다. 우리는 식기의 맛을 보지 못한 역사상 첫 세대 중 하나다.
공책의 종이는 평평하고 부드러우며 연속된 물질처럼 보이지만, 그건 착각이다. 종이는 짚으로 만든 가마니처럼 작고 얇은 섬유로 돼 있으며, 사실은 울퉁불퉁하다. 그러나 우리는 종이의 복잡한 구조를 느끼지 못한다.
대부분의 종이는 나무에서 삶을 시작한다. 나무를 지탱하는 힘은 현미경으로만 볼 수 있는 작은 섬유인 셀룰로오스에서 온다. 이 셀룰로오스는 리그닌이라는 유기물에 의해 단단히 붙어 있다. 셀룰로오스는 대단히 단단하고 복원력이 좋은, 수백 년을 지탱할 수 있는 합성 구조다.
나무를 작은 조각으로 자르고 높은 온도와 압력을 가하며 화학약품과 함께 끓인다. 이 과정을 통해 리그닌 안에 있던 결합이 끊어지고 셀룰로오스 섬유가 풀려난다. 이 과정이 다 끝나면, 나무 펄프라고 하는 엉킨 섬유가 남는다. 이것은 액체가 된 나무라고 할 수 있는데, 현미경으로 관찰해보면 이 섬유가 소스에 잠긴 불어터진 스파게티 면을 닮았다는 사실을 알게 될 것이다. 이 펄프를 평평한 표면에 놓은 뒤 말리면 종이가 된다.
종이의 기계적인 특성 자체가 접히고 구부러지는 데 유리하다. 종이를 이루는 셀룰로오스 섬유는 가장 많이 구부러진 곳에서 부분적으로 끊어져 영구적인 주름을 만들 수 있다.
열전사지에 인쇄할 때는 잉크를 칠하지 않는다. 잉크는 ‘류코leuco’라는 염료와 산 형태로 이미 종이에 들어 있다. 인쇄를 할 때는 종이를 가열해서 산과 염료가 서로 반응하게 하면 된다. 투명한 염료가 검은 색소로 변하며 글자가 된다. 기계에 잉크가 떨어질 리 없는 교묘한 종이 기술이다. 하지만 시간이 지나면 색소가 다시 투명한 상태로 돌아가 잉크가 희미해진다.
「내셔널 지오그래픽」에 따르면, 전 세계적으로 화장실에서 사용하기 위해 베어져 가공되는 나무의 수는 매일 2만 7,000그루에 달한다.
지폐는 그 안에 여러 가지 교묘한 장치를 감추고 있다. 우선 다른 종이와 달리 나무 셀룰로오스로 만들지 않고 면섬유로 만든다. 면 셀룰로오스는 지폐의 강도를 더 강하게 하고, 비를 맞거나 세탁기 안에 들어가도 잘 분해되지 않게 한다. 면섬유는 종이가 내는 특유의 소리도 바꿨는데, 덕분에 바스락거리는 소리는 지폐의 가장 잘 알려진 특성 중 하나가 됐다.
야누스 입자라고 불리는 형태의 잉크 덕분에 가능했다. 잉크 입자 각각은 한쪽 면은 어두운 색, 다른 쪽은 흰색으로 염색돼 있다. 두 면은 서로 반대되는 전기 전하를 띠고 있고, 따라서 전자종이의 모든 화소(픽셀)는 적절한 전기 전하를 가하면 어둡거나 흰색을 나타낼 수 있다. 이 입자는 로마신화에 나오는 변화의 신 이름을 따서 이름이 야누스 입자가 됐다. 야누스는 얼굴이 둘이고, 때로 문이나 대문과 관련이 있다.
야누스 입자는 진짜 물리적 입자인 까닭에, 글자가 바뀔 때 물리적으로 회전을 해야 하므로 액정 디스플레이(LCD)나 아이패드, 스마트폰처럼 화면이
빨리 바뀌지는 않는다. 따라서, 영화나 다른 보기 좋은 콘텐츠를 보여줄 수는 없다. 전자종이는 아마도 기록물에 적합할, 만족스러운 복고풍의 성능을 보이는 기기다.
물은 콘크리트의 주요 성분이다. 콘크리트는 준비 과정에서 물과 반응해, 재료 깊숙한 곳에서 복잡한 미세 구조를 이룰 일련의 화학반응을 시작한다. 이를 통해 콘크리트는 안에 물을 많이 가둬놓고 있지만 굳지 않고, 방수 성능까지 갖는다.
섬유가 자라고 서로 만나면, 서로 엉켜서 결합을 하고 안에 점점 더 많은 물을 가둔다. 이러한 과정은 전체 질량이 겔에서 고체 바위가 될 때까지 이어진다. 섬유는 서로 연결될 뿐만 아니라 다른 바위나 돌과도 결합한다. 이것이 바로 시멘트가 콘크리트로 변하는 이유다
시멘트에 소형 벽돌 역할을 하는 작은 돌을 넣어서 콘크리트가 되면, 이 재료는 마침내 구조재가 될 가능성을 얻는다.
철근 콘크리트가 갖는 건축재료로서의 놀라운 신뢰성에도 불구하고 콘크리트는 꾸준한 관리를 받아야 한다. 콘크리트가 갖는 취약한 특성은 그것이 갖는 강한 특성과 기원이 같다. 내부구조가 원인이기 때문이다.
여러 요소에 노출된 일상적인 환경에서, 콘크리트를 보강하는 역할을 하는 강철은 쉽게 녹이 슨다. 하지만 콘크리트 안에 둘러싸여 있으면 염기성 상태 때문에 강철 표면에 수산화철로 된 층이 생겨 마치 보호막처럼 보호를 받는다. 그러나 건물의 일생에 걸쳐 정상적인 마모와 갈라짐이 일어나고, 겨울과 여름에 팽창과 수축이 일어나기 때문에 콘크리트에는 작은 금이 발생한다. 이런 금 안에는 물이 들어갈 수 있고, 물은 얼어서 팽창해 금을 더 깊게 만든다
초콜릿은 입안에 닿으면 곧바로 액체로 변하도록 설계됐다. 이런 기술은 수백 년에 걸친 요리와 공학적 노력의 결정체다. 처음에는 차나 커피와 다른, 자신만의 지위를 지닌 유명 음료를 만들 목적이었다. 그러나 이러한 시도가 처절하게 실패한 뒤, 초콜릿 제조자들은 소스 팬이 아니라 입안에서 핫초콜릿을 만드는 게 훨씬 더 즐겁고 현대적이며 사람들에게 인기가 좋다는 사실을 깨달았다. 그 결과, 제조사들은 고체 음료를 만들어냈고, 초콜릿 산업은 계속 성공가도를 달렸다. 이런 일들이 가능했던 것은 우리가 결정구조(특히 코코아 버터의 결정구조)를 잘 이해했기 때문이다.
코코아 버터는 마치 질 좋은 무염버터처럼 보인다. 초콜릿의 재료일 뿐만 아니라, 고급 화장용 크림과 로션에도 쓰인다.
코코아 버터는 여러 면에서 특별한 지방이다. 우선, 체온에 녹는다. 고체로 저장할 수 있지만 사람의 몸과 닿으면 액체가 된다는 뜻이다. 더구나 천연 항산화물질을 함유하고 있어 악취를 방지하고, 여러 해 저장해도 상하지 않는다
코코아 지방은 숨겨둔 또 다른 재주가 있다. 결정구조를 이루고, 그 덕분에 초콜릿 바는 강도가 꽤 세다.
커피나 차처럼, 열매의 종류나 준비 과정을 달리하면 대단히 다른 맛으로 만들 수 있다는 사실이다. 제대로 된 열매를 사려면 이 두 가지 요소에 대해 구체적으로 이해하고 있어야만 한다. 그리고 최상의 초콜릿을 만들려고 한다면 이런 지식을 매우 엄격하게 지켜야 한다.
모든 초콜릿이 다 이렇게 만들어진다. 2주가 넘어가는 동안 코코아 빈 더미는 분해돼 발효하기 시작하고, 그 과정에서 열이 발생한다. 코코아가 발아해 자라지 않도록 씨를 죽이는 게 목적이지만 보다 중요한 것은, 이 과정을 통해 코코아 빈의 구성 성분이 초콜릿 풍미를 만드는 전구체로 변한다는 사실이다. 만약 이 과정이 이뤄지지 않으면, 무슨 작업을 어떻게 해도 초콜릿 비슷한 것은 조금도 얻지 못할 것이다.
젤리가 고체 감옥 속에 갇혀 있는 액체일 거라고 결론 내렸다. 빗장이 불투명하고 아주 가는 그물망 모양인 감옥 말이다. 먹는 젤리의 경우, 이 그물은 힘줄이나 피부, 연골 같은 대부분의 연결조직을 구성하는 단백질과 콜라겐 등의 긴 젤라틴 분자로 만들어졌다. 여기에 물이 더해지면 젤라틴 분자가 풀린 채 서로 연결돼 그물을 이루고, 그 결과 안에 액체를 담아 흐르지 않게 만든다. 그러니까 젤리는 기본적으로는 물풍선과 비슷한 거다. 다만 외부의 껍질을 이용해 물을 안에 붙잡아 두는 게 아니라, 물이 안쪽에서 스스로 머무르게 한다는 점이 다를 뿐이다.
물은 표면장력이라는 힘에 의해 그물망 안에 갇혀 있다. 젖어 있다고 느끼게 만들고 물방울을 이루게 하며 물체에 붙어 있게 만드는 것과 같은 힘이다. 그물 안의 표면장력은 젤리를 벗어나지 못하도록 할 만큼 충분히 강하지만, 동시에 찰랑거릴 수 있을 정도로 약하다. 이게 젤리가 흔들거리는 비결이다.
태양으로부터 온 빛이 지구의 대기권에 들어오면, 빛은 지구로 오는 길에 모든 종류의 분자(대부분 질소와 산소 분자)와 부딪혀 핀볼 게임에서처럼 튀긴다. 이것을 산란이라고 부른다. 맑은 날 만약 하늘의 일부를 본다면 빛은 눈에 들어오기 전에 대기에서 되튄다. 만약 빛이 모두 똑같이 산란한다면 하늘은 하얗게 보일 것이다. 하지만 그렇지 않다. 파장이 짧은 빛은 긴 파장의 빛에 비해 좀 더 산란하기 때문에, 푸른색은 하늘에서 붉거나 노란 빛보다 더 많이 산란한다. 그래서 우리가 하늘을 볼 때 흰 하늘이 아니라 푸른 하늘을 보는 것이다.
액체 상태였다가 식을 때, SiO2 분자는 다시 결정을 이루는 데 애를 먹는다. 마치 어떻게 결정을 이뤘는지 기억하지 못하는 것처럼 말이다. 어디에 어떤 분자가 가고, 이 분자 다음에 어떤 분자가 와야 하는지 같은 문제가 SiO2 분자에게는 난제다. 액체 상태에서 점점 차가워짐에 따라, SiO2 분자는 점점 에너지가 낮아지고, 움직이는 능력도 줄어들어 간다. 그 결과 분자는 결정구조를 이루기 위해 딱 맞는 위치로 이동하지 못하고, 결국 혼란스러운 액체의 분자구조를 간직한 고체 재료가 된다. 바로 유리다.
유리를 일상의 영역으로 끌어들인 것은 로마인들이었다. 이들은 ‘융제’의 이점을 발견해냈다. 이들이 사용한 건 천연 탄산나트륨인 나트론이라는 광물성 비료다. 나트론을 사용함으로써, 로마인들은 순수한 석영을 녹이는 데 필요한 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 투명한 유리를 만들 수 있었다. 그들은 적절한 원재료와, 높은 온도를 낼 수 있는 화덕연료를 구할 수 있는 몇 안 되는 장소에서 대규모로 유리를 제작했다.
이런 아이디어가 바로 원자 세계를 지배하는 양자역학이라는 이론이다. 줄 사이의 간격은 에너지의 특정한 양, 혹은 ‘양자’에 해당한다. 유리 안에서 이런 양자가 배열되는 방식을 보면, 전자가 좋은 줄로 이동하기 위해서는 가시광선이 제공할 수 있는 것보다 훨씬 큰 에너지가 있어야 한다. 결국 가시광선은 전자의 좌석을 업그레이드시키는 데 충분하지 않은 에너지를 지니며, 별수 없이 빛을 원자 사이로 통과시켜 보내야 한다. 이것이 바로 유리가 투명한 이유다
에너지가 높은 빛, 예를 들어 자외선의 경우에는 유리 안의 전자를 더 나은 좌석으로 업그레이드시킬 수 있고, 따라서 유리는 자외선에 대해서는 불투명하다. 이 때문에 유리문을 통과해 들어온 햇볕에 우리 피부가 타지 않는 것이다. 자외선이 닿지 않으니까. 나무나 돌처럼 불투명한 재료는 가격이 싼 좌석이 많고 그래서 가시광선과 자외선이 쉽게 흡수된다.
순간적인 속도 차이가 빛을 구부러지게 한다. 이런 빛의 구부러짐을 ‘굴절’이라고도 하는데, 이 덕분에 광학렌즈가 가능해진다. 렌즈에서 유리의 굴곡은 표면의 각 지점에서 각기 다른 각도의 굴절을 일으킨다. 이런 굴곡을 조절하면 이미지를 확대할 수 있고, 이를 바탕으로 망원경과 현미경을 만든다. 또 안경을 쓰는 사람에게는 시야를 선물한다.
흑연의 구조는 다이아몬드와는 많이 다르다. 탄소 원자가 육각형 모양으로 연결돼 평면을 구성한다. 각각의 평면은 매우 강하고 안정한 구조이며 탄소 원자 사이의 결합은 다이아몬드의 결합보다 강하다. 이는 많은 이들을 놀라게 하는데, 흑연은 너무나 물러서 윤활제나 연필심으로 이용되기 때문이다.
다이아몬드는 영원하지 않다. 최소한 지구의 표면에서는 그렇다. 사실 다이아몬드의 자매 구조인 흑연이 더 안정한 형태이며, 따라서 런던 타워 안에 있는 ‘아프리카의 위대한 별’을 포함한 모든 다이아몬드는 천천히 흑연으로 변하고 있다. 비록 다이아몬드가 분해되는 모습을 보려면 수십억 년의 시간이 걸린다는 사실을 알더라도, 다이아몬드를 지닌 사람에게 이것은 꽤 고민스러운 뉴스일 것이다.
