유리는 고체인가 액체인가?

유리는 고체인가 액체인가?

오래된 성당 창문의 유리가 시간이 지남에 따라 천천히 흘러내리기 때문에 바닥이 두껍다는 말이 있다. 흔한 믿음이지만 사실일까? 유리는 정말 눈에 띄지 않는 속도로 아래로 흘러내리는 액체일까? 아니면 전혀 다른 것일까? 유리의 유리가 고체인지, 액체인지, 아니면 그 중간인지 진정한 본질을 탐구하여 보자.

유리 사진=게티이미지뱅크

흐르는 유리(Flowing Glass)

유리에 대한 가장 끈질긴 신화 중 하나는 유리가 수세기 동안 천천히 흐르는 "과냉각 액체"라는 것이다. 이런 생각은 종종 중세 스테인드글라스 창문과 관련이 있는데, 유리창이 위쪽보다 아래쪽이 더 두꺼워 보인다. 많은 사람들은 유리가 시간이 지남에 따라 아래쪽으로 흘러내렸기 때문이라고 생각한다.

그러나 이것은 오해이다. 두께가 고르지 않은 진짜 이유는 과거에 유리를 만든 방식 때문이다. 창유리와 유리병과 같은 초기 유리 제조 기술은 불규칙한 유리 두깨를 생산하였다. 유리 제작자는 이러한 유리창을 설치할 때 일반적으로 안정성을 위해 더 두껍고 무거운 쪽을 바닥에 두었다.

유리가 실제로 실온에서 흐른다면, 우리는 훨씬 더 현대적인 유리 구조물에서 같은 효과를 볼 수 있을 것이다. 하지만 그렇지 않다. 그렇다면 유리가 전통적인 의미에서 액체가 아니라면, 정확히 무엇일까?

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유리는 고체인가 액체인가?

유리의 본질을 이해하려면 원자 구조를 살펴봐야 한다.

결정질 고체(Crystalline solids;얼음, 석영 또는 다이아몬드)는 원자가 매우 조직적이고 반복적인 패턴으로 배열되어 있다. 이 구조는 뚜렷한 녹는점과 예측 가능한 기계적 특성이 있다.

반면, 액체는 자유롭게 움직이는 원자나 분자를 가지고 있어, 흐르면서 용기의 모양을 갖출 수 있다.

유리는 다르다. 유리는 비정질 고체(amorphous solid)로, 원자가 무질서하게 배열되어 있고, 액체에 더 가깝지만, 액체와 달리 유리의 원자는 본질적으로 그 자리에 얼어붙어 있다.

장거리 원자 질서(long-range atomic order)가 없다는 것이 유리를 독특하게 만드는 것이다. 그것은 고체나 액체 범주에 깔끔하게 들어맞지 않고, 대신 두 가지 사이의 중간 영역을 차지한다.

 

유리 전이(The Glass Transition)

얼음과 같은 고체를 가열하면 잘 정의된 온도에 도달하여 액체로 녹는다. 이를 녹는점 이라고 한다. 하지만 유리는 다르게 반응한다.

유리는 고체에서 액체로의 급격한 전이 대신, 온도가 올라감에 따라 점차 부드러워진다. 과학자들은 이를 유리 전이 온도(glass transition temperature)라고 한다. 이 온도 아래에서 유리는 딱딱하고 고체처럼 형태를 띈다. 유리 전이 온도 이상에서는 점점 더 부드럽고 고무처럼 변하다가 결국 충분히 높은 온도에서 액체처럼 흐르게 된다.

이러한 점진적인 변화는 유리가 진정한 결정질 고체로 간주되지 않는 주요 이유 중 하나이다. 유리는 얼음이나 금속처럼 결코 순수하게 녹지 않는다.

 

유리는 시간이 지나면서 흐를까?

유리는 액체와 비슷한 구조를 가지고 있지만, 실온에서 점도 (흐름에 대한 저항)는 매우 높다. 점도는 물질이 얼마나 쉽게 흐르는지를 결정한다. 물은 점도가 낮아 자유롭게 움직이는 반면, 꿀은 점도가 높아 느리게 흐른다.

실온에서 유리의 점도는 너무 높아서 어떤 움직임이라도 눈에 띄게 되려면 수십억 년이 걸릴 것이다. 우주의 나이보다 훨씬 더 긴 시간이다. 다시 말해, 모든 실용적인 측면에서 유리는 고체이다. 유리의 특이한 특성으로 인해 유리는 광범위한 응용 분야에 필수적인 재료가 되고 있다.

 

그렇다면 유리는 고체인가 액체인가?

결론적으로, 유리는 비정질 고체(amorphous solid)이다. 기계적으로는 고체의 형태를 띄지만, 원자 구조는 액체처럼 무질서하다. 얼음이나 금속처럼 고정된 결정 구조는 없지만, 액체처럼 실온에서 흐르지 않는다.