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벌집은 왜 6각형이고 금속은 왜 경도 차이 날까?
Fe(철)에 Carbon(C)이 첨가되면 경도가 높아지고 기계적 성질이 증대한다. 또 같은 성분비로 구성 되어도 열처리 상태에 따라 달라진다.
Fe은 알루미늄보다 단단하다.
왜 이런 일들이 벌어질까?
왜 벌집과 눈은 육각형인가?
이 의문은 금속의 원자배열의 구조에도 원용될 것 같다.
1611년 케플러가 육각 눈송이에 관하여란 논문으로 발표했고,
소위 부피를 최소화 시키려면 어떻게 입자를 쌓아야 할까란 공 쌓기란 가설을 만들었다.
그도 물질을 구성하는 입자의 배열에 관심을 가지고 있었는지도 모른다.
정답은 그가 인접입방격자(충진율 74% 빈 공간 26%) 지금의 면심입방격자라고 말했지만 수학적으로 검증은 400년이 지난 1998년, 미시간 대학 토머즈 헤일즈가 컴퓨터의 도움을 받아 증명에 성공 하였다. (컴퓨터의 도움을 받았기 때문에 발표 당시에 인정 여부에 논란이 있었다)
이것은 금속의 원자 구조 배열과 유사한 측면이 있다.
왜인지는 아직까지는 모르지만 자연은 스스로 최적화한 자세를 유지하려는 성질이 있는 것 같다. 벌집이 6각형인 이유도 마찬가지이다. 평면에 여분 없이 가득히 메울 수 있는 도형은 3각,4각 정6각형뿐이다.
벌에 있어서 3각 4각은 개별 방의 효율이 적어 기피하고 정 6각형은 면적을 유효하게 이용 할 수 있어서 주거용으로 선택 했다고 믿는다.
궁극적으로는 공간에 가득히 원자가 채워 질 수가 있다면 재료 공학적으로는 경도나 기계적 성질이 높아서 좋다, (위의 사진에서 빈 공간에 크기가 작은 탄소 원자 같은 것이 들어가서 잔여 공간을 메운다면 경도가 올라 갈 것이다)
빈 공간은 BCC(체심입방격자)가 32%로 면심입방격자인 FCC(26%) 보다 약 6% 크지만 좁은 공간으로 구성되어 있어, 탄소 원자가 들어가려면 원자 보다 큰 공간을 가진 FCC만 가능하다.
BCC 구조는 FCC(면심) 보다 공간이 많지만 외력에 견고한 것은 원자가 상호 깊숙히 겹쳐 있기 때문에 변형이 어렵다.
또 단위 체적당 원자가 가득하여(종류는 다르더라도) 공간이 적을수록 경도가 높을 수밖에 없다. 왜냐하면 외부에서 원자를 제치고 뚫고 들어가기가 어렵다. 원자를 파괴한다는 것은 엄청난 外力을 필요로 하기 때문이다.
이 분야에 대해서 모르는 부분이 많다. 강호 제현 고수님들의 조언을 기다린다.
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- bestshaind (112.175.xxx.xxx)
- 2018-01-18 13:30:12
- 반대로 BCC인 철은 최단거리 이동이 가능한 방향이 몇 없습니다. 온도가 높아서 원자들의 운동에너지가 높을 때는 최단거리가 아닌 방향으로도 원자가 미끄러지는 일이 있지만, 온도가 낮아지면 원자들이 미끄러질 수 있는 가능성 자체가 급격히 줄어듭니다.
이것이 철이 저온에서 소성변형을 잘 하지 않고, 매우 메진 성질이 급격히 증가하는 이유입니다.
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- 김바사 (112.175.xxx.xxx)
- 2018-01-19 08:02:08
- 벌의 육각형에 대하여는 이런 생각도 합니다.
벌이 육각형의 집을 짓는 이유는 육각형의 구조적 원리를 이해하고 하는 행동은 아니란 것이지요.
벌들은.... 인간의 견해에 의하면.... 아무 생각없이 집을 짓습니다.
인간의 손가락이 다섯인 것은 콜라병을 잡기 좋게 진화한 때문이다.....
우리는 벌의 하는 행동의 결과에 우리의 사유가 만들어낼 수 있는 이유를 붙입니다.
벌이 자신의 행동원리를 이해하지 못하듯이 인간도 자신의 사유가 왜? 이런 결과만을 도출하는지 모르고 있을 수 있겠지요.
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- 배흘림 (112.175.xxx.xxx)
- 2018-01-19 09:46:03
- 오랜 진화 또는 경험칙에 의한 것이라 생각합니다. 세상의 근본 원리는 어디서나 동일 한것 같습니다
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- 김바사 (112.175.xxx.xxx)
- 2018-01-19 07:56:25
- 재미있게 잘 보았습니다.
처음 보는 그림들도 유익했구요.
그런데 어느 왜? 물체는 물렁하고 어느 물체는 단단한가에 대하여는 모든 사람들이 직관적으로는 알고 있는 것이라고 봅니다.
즉, 속이 꽉 들어차있으면 단단하고 엉성하게 들어차 있으면 물렁한거죠. ^.^
과학은 이 직관을 증명하는 것이 과학적 증명에 의하여 직관이 생기는 것은 아닙니다.
우리가 엄청 단단하게 느끼던 어떤 물체가 의외로 물렁할 때 거기에는 이 내부구조가 어떻길래 직관을 거역하는가? 하는 구조적 분석이 유효하겠죠.
그렇다면 이 직관성은 역으로 말하자면... 시중에 범람하는 양자역학의 이론에 의하여 "직관성이 관찰자 효과를 낸다" 고도 말할 수 있겠습니다.
물론 농담입니다.
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- 배흘림 (112.175.xxx.xxx)
- 2018-01-19 09:45:08
- 직관일수도 있습니다. 그러나 금속은 보기에는 모두가 가득차 보이니 혼선이 오기도 합니다. ㅎㅎ
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- 화력터널 (112.175.xxx.xxx)
- 2018-01-18 14:56:14
- 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있는데 전자가 에너지를 받으면 더 높은 궤도로 올라가며 원자핵과의 거리가 멀어집니다. 이렇게 올라간 전자들은 전자들끼리 전기적인 척력을 일으키는데 따라서 에너지가 높아지면 원자와 원자간의 거리가 멀어지죠. 그러나 철과 알루미늄 같은 금속은 자유전자를 주고 받는 금속결합을 하기 때문에 전자 공유의 힘이 인력으로 작용합니다. 가장 안정한 상태가 되려는 열역학 2법칙에 따라 엔트로피가 증가하면 이러한 척력과 인력간의 균형점이 나타나게 되는게 그게 격자 구조죠. 이러한 격자 구조는 에너지에 따라 변할 수 있습니다.
그런데 말씀하신 의문점은 이런 것과 관련없구요. 강철에서 슬립이 일어나지 않는 이유는 철의 격자구조 안에 탄소 원자가 박히면서 밀리지 않게 된거죠. 탄소가 안박힌 순철은 슬립이 잘일어나는 무른 재료지만 탄소가 침탄되면서 철 원자들이 밀리고 싶어도 탄소 원자들이 밀리지 않게 말리는 거죠. 같은 이유로 3원계,4원계,5원계로 가면서 크롬,몰리브덴,니켈 같은 원소를 첨가하면 격자 구조안에 이러한 작은 원소들이 박히면서 더욱 우수한 성질의 철을 얻을 수 있게 됩니다. 단순히 강도나 연성뿐만 아니라 전기적 성질도 조절할 수 있고 응용하면 항공기에나 쓰는 우수한 내열소재나 단열소재도 만들 수 있습니다.
여기까진 고등학교 수준의 화학이구요. 대학교 1학년 수준의 일반화학으로 들어가면 좀 더 명쾌하게 이해하실 수 있죠.
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- 배흘림 (112.175.xxx.xxx)
- 2018-01-19 09:44:16
- 격자 구조란 결국 위의 사진과 같다는 의미 같습니다. 층진율이 높을수록 좋다는 원리로 이해 하겠습니다
