우리 일상에서 결정학의 중요성

X선 회절계는 물질의 결정학적 특성을 연구하는 데 사용되는 주요 기기입니다. 이 블로그에서는 우리 일상에서 결정학이 중요한 몇 가지 예를 소개하려고 합니다.

자연에서 발견되는 많은 물질들은 결정성을 띱니다. 화산 활동의 결과로 자연에서 나타나는 결정들은 높은 압력 아래에서 형성되거나 물에서 결정화됩니다.

여기서 보이는 아름다운 석고 결정은 지하 깊은 곳에서 수천 년간 성장했습니다. 이 결정들은 몇 년 전 멕시코 나이카에서 광업 활동 중 우연히 발견되었습니다. 이 결정들은 참으로 크고 길이가 몇 미터에 달합니다. 사진 오른쪽 아래의 작은 사람 형상을 주목하세요.

하지만 대부분의 경우, 자연에서 발견된 결정립은 훨씬 작은 크기를 가집니다. 대부분의 암석, 토양 및 모래는 철을 포함한 암석과 같은 작은 미세입자로 구성되어 있습니다.

암석 조각의 단면을 준비하여 광학 현미경을 통해 본다면, 암석 내의 작은 결정학적 도메인을 볼 수 있습니다. 이러한 암석의 결정학적 특성은 Empyrean 다목적 X선 회절계와 같은 X선 회절계(XRD)를 사용하여 연구할 수 있습니다. Empyrean은 분말, 박막, 나노재료 및 고체 물체의 분석을 위한 것입니다.

단일 결정은 X선을 아름다운 회절 패턴으로 굴절시킵니다. 브래그 법칙은 단일 결정이 어떤 각도에서 회절 신호를 줄지를 결정합니다. 또한 다결정성 물질이나 분말도 회절 패턴을 제공합니다. 분말에 포함된 여러 작은 결정립 중에서도 올바른 방향을 가진 것만이 강한 회절 신호를 제공합니다. 여러 결정립에서 회절 신호가 발생하므로, 분말 패턴은 혼합물의 구성요소를 결정하는 데도 사용될 수 있습니다.

여기에서 보이는 빨간 색상 흔적은 회절 도표입니다. 이는 회절 각도에 따른 여러 피크로 구성되어 있습니다. 피크의 각도 위치에서 혼합물의 다른 구성 요소, 즉 혼합물의 상을 결정할 수 있습니다. 피크의 상대적 강도로 상의 상대적 풍부도를 계산할 수 있습니다. 분말 패턴은 물질의 고유한 지문과 같습니다. 이러한 회절 도표는 암석이나 금속과 같은 고체 물체에서도 얻을 수 있습니다. 이러한 물체는 내부적으로 수많은 작은 결정립으로 구성되어 있으며, 고유의 분말 패턴을 생성합니다. 전 세계에서 발견된 물질 중 많은 것의 경우, 분말 회절 도표를 기록할 수 있습니다. 이러한 물질은 우리 일상의 품질을 결정합니다. 분말 및 다른 결정성 혼합물의 결정학을 이해하는 것이 얼마나 중요한지 살펴봅시다.

시멘트, 지루한 재료?

시멘트는 로마 시대부터 우리가 사는 건물의 주요 건축 재료입니다. 콘크리트의 작업성, 경화 시간, 최종 강도가 시멘트의 결정학적 특성에 의해 결정된다는 것을 알고 계셨나요? 보다 정확히 말하자면, 우리가 만드는 건물의 품질은 시멘트 경화 동안 발생하는 결정학적 상 변이에 의해 결정됩니다. 이는 오늘날 과학자들조차 완전히 이해하지 못하는 과정입니다!

시멘트는 석회석과 다른 원료를 로타리 오븐이라는 긴 가마에서 가열하여 만듭니다. 가마에서 물질은 최대 1,400도 섭씨의 온도에서 결정학적 변화를 겪고, 그 결과 클링커라는 물질을 생성합니다. 이 클링커는 이후 갈고 다른 성분과 혼합되어 시멘트를 만듭니다. 시멘트를 만드는 과정은 상당한 양의 이산화탄소, CO₂를 방출합니다. 이는 인류 활동에서 발생하는 이산화탄소 배출량의 약 5%를 차지합니다. 이는 전력 발전에 이은 이산화탄소 배출의 두 번째 원인입니다.

시멘트 생산 과정의 총 CO₂ 배출량 중 대부분(60%)은 석회석의 소성에서 비롯되며, 30%는 가마를 가열하는 연료에서 발생합니다. 마지막 10%는 클링커를 분쇄하고, 공장을 통한 물질의 운반 등에 필요합니다. CO₂ 배출을 줄이기 위한 시도는 두 가지 측면에 초점을 맞추고 있습니다:

• 첫째, 더 적은 클링커로 시멘트를 만드는 것입니다. 발전소에서 나오는 비산재나 철을 생산하는 용광로에서 나오는 슬래그와 같은 산업 부산물이 사용됩니다. 이러한 물질은 또한 시멘트 효과를 갖습니다.
• 둘째, 플라스틱 폐기물, 동물 시체, 사용된 자동차 타이어와 같은 대체 연료는 가마를 가열하는 데 사용될 수 있지만, 이것들은 또한 시멘트의 특성에 영향을 미칩니다.

시멘트의 결정학적 특성을 이해하는 것은 CO₂ 배출이 적은 시멘트를 생산하기 위해 필수적입니다.

채광에서 철 광석 최적화

우리 일상에서 또 다른 중요한 물질은 철입니다. 모든 철의 시작점은 광산에서 채굴된 광석입니다. 광산의 광석 품질은 결코 일정하지 않습니다. 이는 암석이 형성된 수백만 년 전에 결정되었습니다. 광석의 품질을 결정하는 전통적이고 간단한 방법은 시각적 검사입니다: 미지의 광석과 참조 세트의 색상을 비교하는 것입니다. 이러한 시각적 검사를 통해 광석 본체의 다른 부분을 저급 또는 고급으로 분류할 수 있습니다.

그러나 결정학을 결정함으로써, 광석 본체의 훨씬 세밀한 분류를 할 수 있습니다. 이를 통해 채굴된 물질을 다양한 등급으로 더 잘 분류하고 혼합하여 품질면에서 훨씬 더 일정한 중간체를 만들 수 있습니다. 이는 채광 활동의 수익성을 높이고, 폐기물을 줄이며, 환경에 가하는 피해를 줄입니다.

스트레스에 대해 이야기해 봅시다

비행기를 타고 여행할 때, 비행기의 창문이 왜 직사각형이 아니라 타원형인지 궁금해 한 적이 있습니까? 비행기와 다른 기계들은 이착륙과 같은 운행 중 주기적 하중을 받습니다. 여러 번 반복되는 하중 후에 표면에 균열이 형성될 수 있으며, 이 균열이 갑자기 전체 조립물을 통해 전파되어 고장을 일으킬 수 있습니다: 소위 금속 피로 현상입니다. 금속 피로는 첫 상업용 제트기에 대한 충분한 이해가 없을 때 발생했습니다. 드 해빌랜드 코멧은 1950년대에 제작된 그러한 제트기 중 하나의 사례입니다. 비행기 도입이 성공적으로 이루어진 후에, 첫 운항 후 1년 이상 지난 후 두 대의 비행기가 추락했고, 여러 중미 사고가 짧은 시간 내에 발생했습니다. 모든 비행기는 착륙했고, 조사가 시작되었습니다.

비행기 본체에 반복되는 하중은 잔류 비행기 중 하나를 물 탱크에 넣고 반복적으로 가압하고 감압하는 방법으로 시뮬레이션되었습니다. 3천 번 이상의 사이클 후 비행기는 갑자기 터져나갔습니다. 조사를 통해 피로 균열이 직사각형 창문 모서리에서 발생한 것으로 밝혀졌습니다. 창문 틀의 모의 응력에서 이러한 응력이 직사각형 모서리에서보다 둥근 모서리에서 훨씬 더 높은 것을 볼 수 있었습니다. 그래서 오늘날 비행기 창문은 둥근 모서리를 갖습니다.

비행기와 기타 기계의 기계 부품의 추가 개선은 금속 부품의 표면에 압축 잔류 응력을 의도적으로 생성함으로써 얻어졌으며, 이는 미세 균열이 닫힌 상태로 유지되게 하여 금속 피로의 가능성을 줄입니다. 오늘날 금속 부품은 표면에 이러한 압축 응력을 추가하여 샷 피닝 처리를 받으며, 금속 피로 문제는 크게 해결됩니다. 결정학적 변형의 이해와 X선 회절에 의한 측정은 우리가 일상에서 사용하는 안전하고 오래 지속되는 기계를 만드는 데 필수적입니다.

전자공학

다시 한번 다른 영역으로, 컴퓨터와 휴대폰 같은 마이크로전자 장치들은 특히 젊은 세대에게 일상에서 필수적인 부분이 되었습니다. 우리는 결정학에 대한 이해 덕분에 휴대폰이 더 작고 강력해질 수 있었습니다. 이 이해를 통해 우리는 더 작고 강력한 배터리를 만들고, 휴대폰 화면의 백라이트와 같은 에너지 효율적인 구성 요소를 만들 수 있었습니다. 휴대폰 백라이트는 갈륨 나이트라이드(GaN)라는 반도체 재료로 만들어졌습니다. 이러한 백라이트는 많은 얇은 층으로 구성되어 있으며, 이러한 층은 제대로 작동하는 장치를 위해 올바른 결정학적 특성을 가져야 합니다. 제어된 결정 성장에 대해 살펴보겠습니다.

GaN 백라이트는 다른 마이크로전자 구성 요소와 마찬가지로 화학 기상 증착 반응기에서 단일 결정 기판 위에 성장한 여러 층의 다른 재료로 구성되어 있습니다. 반응기 내 성장 조건에 따라 이러한 층은 이완될 수 있습니다: 기판의 결정 구조와 무관하거나 변형된: 층이 변형되어 기판의 결정학적 구조에 일치합니다. 이러한 변형된 층은 장치의 올바른 작동에 필수적입니다. X선 회절은 이러한 층의 결정학적 품질을 탐색하는 데 사용됩니다. 잘 제작된 LED는 에너지 효율적인, 오래 지속되는 휴대폰 화면을 제공합니다. 다시 말해, 결정학의 이해는 우리 일상에 필수적입니다.

의약품 완성

세계 인구의 성장과 노화는 모든 사람에게 의약품의 공급을 요구합니다. 의약품의 결정학을 이해하는 것은 안전한 약품의 개발과 생산에 필수적입니다. 회전하는 분자는 탈리도마이드로, 1950년대에 개발된 의약품이며 태아에게 부작용이 발견된 약품입니다. 유기 분자에 흔한 결정학적 특성 중 하나는 다형성입니다: 분자가 다른 형태로 결정화할 수 있는 능력입니다.

여기에서 확인할 수 있는 인도메타신의 두 가지 형태는 강력한 진통제입니다. 우리는 안전한 의약품을 만들기 위해 이러한 결정학적 형태를 이해해야 합니다. 결정학을 측정함으로써 약의 진위를 확인할 수도 있습니다. 의약품의 위조는 광범위한 문제이며, 이는 우리 인구의 안전에 잠재적인 위협이 됩니다. 위조는 마약 밀매보다 덜 위험합니다.

여기서 알파와 감마 인도메타신의 회절 도표를 볼 수 있습니다. 두 다형은 서로 다른 결정 구조를 가지고 있기 때문에, 두 회절 도표도 다릅니다. X선 분말 회절은 화합물의 다양한 다형을 쉽게 구별할 수 있는 유일한 도구입니다.

음식 속 결정

결정학은 증가하는 인구를 먹여 살리는 데도 중요합니다. 비료는 농업의 생산성을 개선하기 위해 현대에서는 필수적입니다. 토양과 비료의 결정학을 이해함으로써 재배해야 할 작물에 최적화된 비료를 개발할 수 있습니다.

식수에 대한 접근은 세계 여러 지역에서 커져가는 문제입니다. 강물은 종종 오염되거나 관개에 사용되어 하류 인구에게 물 부족 문제를 일으킵니다. 바닷물을 식수로 만드는 것, 즉 탈염은 증가하는 활동입니다. 막과 필터의 결정학을 이해함으로써 전력 소모를 줄인 탈염 시설을 지을 수 있습니다. 마지막으로, 결정학적 물질은 우리가 섭취하는 많은 식품에도 존재합니다. 초콜릿은 맛있는 결정학적 물질입니다. 따라서 결정학은 일상에 필수적일 뿐만 아니라 맛도 더해줍니다.

이 블로그에서 저는 결정학이 우리의 일상 생활에서 다양한 측면에서 필수적임을 보여드렸습니다. 결정학에 대해 더 알고 싶으시면 Malvern Panalytical 웹사이트를 방문해 배우실 수 있습니다.

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