유리: 고체도 액체도 아닌 이 흔하면서도 복잡한 물질은 과학자들을 여전히 놀라게 하고 있습니다.

Penn State 소재 과학 및 공학 교수

Penn State 재료 과학 박사 과정

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유리는 다양한 면을 지닌 소재입니다. 고대적이면서도 현대적이며 강하면서도 섬세하고 거의 모든 모양이나 색상을 적용할 수 있습니다. 유리의 이러한 특성 때문에 사람들은 스마트폰 화면과 광섬유 케이블부터 백신이 담긴 병에 이르기까지 모든 것을 만드는 데 유리를 사용합니다.

인류는 수천 년 동안 어떤 방식으로든 유리를 사용해 왔으며, 연구자들은 오늘날에도 여전히 유리의 새로운 용도를 찾고 있습니다. 유리가 실제로는 고체가 아니라 액체라는 사실을 자주 반복해서 듣는 것은 드문 일이 아닙니다. 그러나 현실은 훨씬 더 흥미롭습니다. 유리는 이러한 범주 중 어느 쪽에도 딱 들어맞지 않으며 여러 면에서 그 자체로 물질의 상태입니다. 유리를 연구하는 두 재료 과학자로서 우리는 이 독특한 재료에 대한 이해를 높이고 미래에 유리를 사용하는 새로운 방법을 발견하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다.

유리를 이해하는 가장 좋은 방법은 유리가 어떻게 만들어지는지 이해하는 것입니다.

유리를 만드는 첫 번째 단계에서는 소다회, 석회석, 석영 모래 등의 미네랄 혼합물을 약 화씨 2,700도(섭씨 1,480도)에서 액체로 녹을 때까지 가열해야 합니다. 이 상태에서는 미네랄이 액체 속에서 자유롭게 흐르며 무질서하게 움직입니다. 이 액체가 충분히 빨리 냉각되면 대부분의 고체처럼 조직화된 결정 구조로 응고되는 대신 혼합물은 무질서한 구조를 유지하면서 응고됩니다. 유리를 정의하는 것은 원자적으로 무질서한 구조입니다.

짧은 시간 내에 유리는 고체처럼 거동합니다. 그러나 유리의 액체 같은 구조는 충분한 시간이 지나면 유리가 이완이라는 과정을 겪는다는 것을 의미합니다. 이완은 유리 조각의 원자가 천천히 더 안정적인 구조로 재배열되는 연속적이지만 매우 느린 과정입니다. 10억년이 지나면 일반적인 유리 조각의 모양은 1나노미터 미만(인간 머리카락 직경의 약 1/70,000)만큼 변합니다. 느린 변화 속도로 인해, 천천히 흐르는 유리를 끌어당기는 중력으로 인해 오래된 창문이 바닥이 더 두껍다는 신화는 사실이 아닙니다.

구어적으로 유리라는 단어는 모래, 소다, 석회를 융합하여 만든 단단하고 부서지기 쉬운 투명한 물질을 의미하는 경우가 많습니다. 그러나 투명하지 않은 유리 유형도 많이 있으며, 액체 혼합물이 결정화를 피할 수 있을 만큼 빠르게 냉각될 수 있는 한 어떤 요소의 조합으로도 유리를 만들 수 있습니다.

인간은 4,000년 넘게 유리를 사용해 왔으며, 가장 초기에 유리구슬과 화살촉 장식용으로 사용되었습니다. 고고학자들은 또한 2,000년 된 유리 작업장의 증거를 발견했습니다. 그러한 고대 작업장 중 하나가 현대 이스라엘의 하이파 근처에서 발견되었으며 그 날짜는 서기 350년경으로 거슬러 올라갑니다. 그곳에서 고고학자들은 원시 유리 조각, 유리 용해로, 실용적인 유리 용기 및 유리 불기 잔해를 발견했습니다.

현대 유리 제조는 20세기 초 유리병과 평판 유리판의 대량 생산 기술이 발전하면서 시작되었습니다. 유리는 20세기 후반 전자 및 통신 산업의 필수 요소가 되었고, 현재는 인터넷의 중추를 이루고 있습니다.

오늘날 과학자들은 단순히 유리를 컵이나 거울의 재료로 사용하는 것 이상입니다. 유리 연구의 최첨단에는 복잡한 원자 구조와 완화 과정을 조작하여 특정 특성을 달성하는 능력이 있습니다.

유리는 원자적으로 무질서하고 항상 변하기 때문에 유리 조각의 두 지점은 강도, 색상, 전도성 등 약간 다른 특성을 가질 수 있습니다. 이러한 차이점으로 인해 동일한 재료를 사용하여 동일한 방식으로 만들어진 두 개의 유사한 유리 조각이 매우 다르게 작동할 수 있습니다.