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사탕과 초콜릿이 사랑을 부른다는 사실을 알고 있나? 밸런타인데이와 화이트데이에 항상 사탕과 초콜릿을 선물로 주고받는 것도 이것 때문이지. 그런데 사탕과 초콜릿이 어떻게 사랑을 불러오는지 궁금하지 않나?
단맛을 좋아하는 건 본능이야!
사람은 본능적으로 단맛을 좋아해요. 이 본능은 생존에 필요한 포도당을 얻기 위해 생긴 것이랍니다. 포도당은 생존에 반드시 필요한 에너지원으로 단맛이 나는 음식인 설탕, 과일, 탄수화물 등에서 얻을 수 있거든요.
그런데 설탕은 탄수화물에 비해 포도당으로 분해되는 속도가 훨씬 빨라서 피 속 포도당 농도를 빠르게 늘려요. 그러면 뇌에선 ‘도파민’이라는 호르몬이 나오는데, 이 물질은 행복감을 느끼게 해 준다고 알려져 있지요. 사탕과 초콜릿으로 사랑을 전하는 것도 도파민이 주는 행복감과 관련이 있답니다.
그런데 단맛의 대명사인 초콜릿은 조금 특별한 단맛을 가지고 있어요. 단맛과 쓴맛이 합쳐진 ‘달콤 쌉쌀’한 맛이지요. 이 맛은 어떻게 만들어질까요?
초콜릿의 주원료는 카카오 열매를 가공해 얻는 카카오매스로, 여기서 강한 쓴맛이 난답니다. 즉, 초콜릿은 카카오매스의 쓴맛과 설탕의 단맛이 섞여 달콤 쌉쌀한 맛이 나는 거예요. 또한 카카오매스에 들어 있는 여러 가지 화학물질 중 ‘테오브로민’과 ‘페닐에틸아민’이라는 성분은 설탕과 마찬가지로 뇌에서 도파민 분비를 촉진시키기도 해요.
입에서 사르르 녹는 ‘식감’도 초콜릿의 매력이에요. 초콜릿의 주성분인 ‘카카오버터’는 체온보다 약간 낮은 온도인 35℃가 되면 갑자기 녹아 버리는 성질을 가지고 있답니다. 그래서 입 안에 있는 초콜릿이 부드럽게 녹는 거예요.
우리 과학자들은 사탕을 먹는 것도 좋아하지만 사탕으로 실험하는걸 더 좋아하지. 사탕으로 어떻게 신기한 연구를 할 수 있는지가 궁금하다면 나를 따라오게!
솜사탕으로 만드는 인공 혈관
모세혈관은 아주 가는 굵기의 혈관으로, 온몸 구석구석 닿지않는 곳이 없을 정도로 넓게 퍼져 있어요. 이 혈관은 화학물질을 몸속 곳곳에 전달하는 역할을 하지요. 모세혈관을 한 줄로 이으면 10만km가 넘는답니다.
인공 모세혈관을 만드는 작업은 매우 어려워요. 모세혈관처럼 굵기가 얇고 복잡하게 얽혀 있는 구조를 만드는 것이 어렵기 때문이지요. 그런데 인공 모세혈관을 연구하던 미국 반더빌트대학교 성학준 교수팀은 엉뚱하게도 ‘솜사탕’에 주목했어요. 얇은 실이 뭉쳐 있는 모습이 마치 몸속에 퍼져 있는 모세혈관과 비슷하다고 본 연구팀은 연구실에 솜사탕 기계를 설치하고 인공혈관을 만드는 연구를 시작했어요.
연구팀은 설탕 대신 ‘PNIPAM’이라는 물질로 실뭉치를 만들었답니다. PNIPAM은 인공적으로 만든 사슬 모양의 화학물질로, 평소엔 액체 상태지만 32℃ 이상의 온도에선 사슬들이 서로 결합해 고체로 변해요. 온도에 따라 상태를 쉽게 변화시킬 수 있고 인체에 해를 주지 않아 인공 생체 재료로 많이 사용되지요. 실제로 연구팀이 실험해 본 결과, 솜사탕 기계로 만든 인공 모세혈관은 실제 모세혈관처럼 주변의 세포에 화학물질을 성공적으로 전달했어요.
사탕이 녹는 과정을 연구한 과학자
미국 워싱턴대학교에서 물리학을 공부하는 안드레아 윈디쉬 박사는 가족과 함께 사탕을 이용해 특별한 실험을 진행했어요. 바로, 사탕이 녹는 속도를 수식으로 만든 거예요.
연구팀은 먼저 사탕을 완벽한 구 모양이라고 가정한 뒤, 간단한 수식을 세워 시간에 따라 사탕이 줄어드는 양을 계산했어요. 그 결과, 시간이 지남에 따라 줄어드는 사탕의 반지름, 무게, 표면적, 부피 변화를 모두 구할 수 있었어요. 이를 바탕으로 사탕이 모두 녹는 데 필요한 시간을 구할 수 있었죠.
윈디쉬 박사는 이 계산이 실제 사탕이 녹는 속도와 얼마나 비슷한지 확인하기 위해 오른쪽 그림과 같은 실험 장비를 만들었어요. 기계를 이용해 물을 천천히 저어 주며 사탕이 녹는 것을 관찰한 결과, 수식으로 예측한 결과와 실제 사탕이 녹는 속도가 98% 정도 일치했답니다.
사탕 실험에 너무 집중을 했나…. 기운이 다 빠져 버렸군. 이럴 땐 초콜릿을 먹어야지! 그런데 내가 가진 그릇에 초콜릿을 가득 가득 담고 싶은데, 초콜릿을 가장 많이 담을 수 있는 방법이 있을까?
물리를 사랑하는 만큼 초콜릿을 가득 담아 줘!
같은 용기 안에 가장 많은 수의 초코볼을 넣으려면 초코볼은 무슨 모양이어야 할까요? 16세기의 위대한 수학자이자 천문학자인 요하네스 케플러는 ‘초코볼이 구형이라면 초코볼을 차곡차곡 쌓아 전체 공간의 74%를 채울 수 있으며, 이때 가장 많은 수의 초코볼을 담을 수 있다’라고 대답했지요.
하지만 이 대답은 반만 맞는 정답이었어요.
상자에 초코볼을 담을 때에는 빈 공간이 없도록 차곡차곡 담지 않고 우르르 쏟아 붓기 때문이에요. 실제로 이렇게 구형인 초코볼을 담으면 초코볼은 전체 공간의 64%밖에 채우지 못한답니다.
미국 프린스턴대학교 물리학과 폴 채이킨 교수는 지난 2004년 초코볼이 타원형일 때 구형보다 더 공간을 많이 채울 수 있다는 연구결과를 발표했어요. 초콜릿을 좋아해서 항상 둥근 유리 그릇에 M&M을 담아 먹었던 폴 채이킨 교수는 타원형의 M&M을 이용해 연구를 진행했답니다.
연구팀이 M&M이 가득 들어 있는 그릇을 자기공명영상장치(MRI)로 관찰한 결과, 초코볼이 차지하는 공간이 최대 71%이라는 사실을 발견했어요. 또한, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 초코볼이 길쭉한 타원형이라면 최대 74%까지 공간을 채울 수 있다는 사실을 알아냈지요. 연구팀은 초코볼이 타원형일 때 용기 안에서 더욱 자유롭게 움직일 수 있어 더 쉽게 빈 공간으로 들어간다고 설명했어요.
이 연구는 초콜릿을 효율적으로 포장하는 데 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 우주선에 쓰이는 재료 연구에도 도움이 돼요. 같은 공간 안에 더 많은 입자를 채워 넣어서 외부의 충격과 열을 잘 견딜 수 있는 단단한 재료를 만들 수 있기 때문이에요.
같은 용기 안에 가장 많은 수의 초코볼을 넣으려면 초코볼은 무슨 모양이어야 할까요? 16세기의 위대한 수학자이자 천문학자인 요하네스 케플러는 ‘초코볼이 구형이라면 초코볼을 차곡차곡 쌓아 전체 공간의 74%를 채울 수 있으며, 이때 가장 많은 수의 초코볼을 담을 수 있다’라고 대답했지요.
하지만 이 대답은 반만 맞는 정답이었어요.
상자에 초코볼을 담을 때에는 빈 공간이 없도록 차곡차곡 담지 않고 우르르 쏟아 붓기 때문이에요. 실제로 이렇게 구형인 초코볼을 담으면 초코볼은 전체 공간의 64%밖에 채우지 못한답니다.
미국 프린스턴대학교 물리학과 폴 채이킨 교수는 지난 2004년 초코볼이 타원형일 때 구형보다 더 공간을 많이 채울 수 있다는 연구결과를 발표했어요. 초콜릿을 좋아해서 항상 둥근 유리 그릇에 M&M을 담아 먹었던 폴 채이킨 교수는 타원형의 M&M을 이용해 연구를 진행했답니다.
연구팀이 M&M이 가득 들어 있는 그릇을 자기공명영상장치(MRI)로 관찰한 결과, 초코볼이 차지하는 공간이 최대 71%이라는 사실을 발견했어요. 또한, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 초코볼이 길쭉한 타원형이라면 최대 74%까지 공간을 채울 수 있다는 사실을 알아냈지요. 연구팀은 초코볼이 타원형일 때 용기 안에서 더욱 자유롭게 움직일 수 있어 더 쉽게 빈 공간으로 들어간다고 설명했어요.
이 연구는 초콜릿을 효율적으로 포장하는 데 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 우주선에 쓰이는 재료 연구에도 도움이 돼요. 같은 공간 안에 더 많은 입자를 채워 넣어서 외부의 충격과 열을 잘 견딜 수 있는 단단한 재료를 만들 수 있기 때문이에요.
