“꿀록 탐정님~! 제 도끼 좀 찾아 주세요!”
한 나무꾼이 꿀록 탐정 사무소를 찾아왔어요.
“도끼요? 도끼라면 지금 손에 들고 있지 않아요?”
꿀록 탐정은 나무꾼이 손에 쥔 도끼를 가리키며 물었어요.
“이 금도끼는 제 도끼가 아니에요. 제 도끼는 쇠도끼라고요!”
“당신의 쇠도끼는 어디로 가고 이 금도끼를 갖고 있나요?”
꿀록 탐정의 질문에 나무꾼이 대답했어요.
“오늘 아침에 있었던 일이에요. 여느 때처럼 아침 일찍 일어나 밥을 먹고 뒷산을 올랐어요. 나무를 해야 하니 도끼를 챙겨 갔지요. 이 지게에 착 붙여서 말이에요.”
나무꾼이 지게에 붙어 있는 동그란 금속을 가리키며 설명했지요.
“이건 강력한 네오디뮴 자석이에요. 쇠도끼를 붙여서 편하게 짊어지고 다니려고 지게에 붙여둔 거죠.”
놀라워 하는 꿀록 탐정의 반응에 나무꾼이 신이 나서 이야기를 했어요.
“오늘 아침에도 열심히 나무를 하고 있는데, 순간 도끼를 손에서 놓쳐 버렸지 뭐예요. 도끼가 휙 날아가더니 연못에 빠지고 말았어요. 그때 마치 동화 속 이야기처럼 소복을 입고 흰 수염을 길게 늘어뜨린 산신령이 나타나지 뭡니까?”
“산신령이요? 그게 사실입니까?”
꿀록 탐정은 나무꾼을 의심의 눈초리로 바라봤어요.
“그렇다니까요! 그 산신령이 금도끼와 쇠도끼를 보여 주더니 어떤 도끼가 제 것이냐고 묻더군요. 전 당연히 쇠도끼가 제 것이라고 말했죠. 그러니까 글쎄 정직한 나무꾼이라며 제게 금도끼를 주는 거예요. 쇠도끼는 가져가 버리고요.”
“흠…. 쇠도끼를 가져간 것은 안타까운 일이지만, 쇠도끼보다 금도끼가 더 좋지 않나요?”
꿀록 탐정의 말에 나무꾼은 펄쩍 뛰며 얘기했어요.
“무슨 소리예요! 금도끼는 지게에 있는 자석에 붙지도 않아서 불편하게 들고 다녀야 한다고요. 게다가 어찌나 무른지 나무를 벨 수도 없단 말이에요. 전 이런 금도끼는 필요 없으니 제발 제 쇠도끼를 찾아 주세요!”
●통합과학 개념 이해하기 - 눈에 보이지 않는 자석의 힘
자석, 지구, 전류가 흐르는 전선. 얼핏 보면 연관이 없어 보이지만, 사실 이 세 가지는 공통점이 있어요. 바로 ‘자기’를 지니고 있다는 거예요.
‘자기’는 쇠붙이를 끌어당기는 등 자석이 지닌 작용이나 성질을 뜻해요. 막대자석에 철가루를 뿌리면 자기의 세기인 ‘자기력’을 눈으로 볼 수 있어요. 자석 양쪽 극에는 철가루가 촘촘하게 붙고, 극에서 멀어질수록 점점 성기게 퍼지지요. 자기력은 철가루가 촘촘하게 배열되는 자석의 양쪽 극에서 가장 강하다는 걸 알 수 있어요. 또, 이렇게 자기력이 미치는 공간을 ‘자기장’이라고 해요.
물질 중에는 한 번 외부 자기장에 노출되면 자기장이 사라져도 계속해서 자기를 띠는 것들이 있어요. 이들을 ‘강자성체’라고 하는데, 금속 중에는 철과 코발트와 니켈이, 희토류 물질 중에는 네오디뮴과 가돌리늄이 속하지요. 쇠도끼는 자석에 붙고 금도끼는 붙지 않은 이유도 철은 강자성체지만 금은 그렇지 않아서예요. 보통 자석으로 사용하는 ‘영구자석’ 역시 강자성체로 만든답니다.
자석의 힘은 눈으로 볼 수도 없고 느낄 수도 없어요. 그래서 자기력의 크기와 방향을 표현하기 위해 ‘자기력선’을 그려요. 물리학자들은 자기력선을 N극에서 나와 S극으로 들어가게 그리기로 정했어요. 또, 한 번 N극에서 나온 자기력선은 중간에 끊어지거나 나뉘지 않도록 그리기로 했지요. 그러면 자기력이 센 곳은 촘촘하게, 자기력이 약한 곳은 성기게 자기력선이 그려져요. 이를 통해 자기력선만으로 자기력의 세기와 방향, 범위를 파악할 수 있답니다.
한편, 전류가 흐르는 전선도 주변에 자기장을 만들어요. 실제로 한 방향으로 전류가 흐르는 전선 주위에 나침반을 가까이 대면 바늘이 움직이는 모습을 볼 수 있답니다.
● 통합과학 넓히기 - 자석으로 손 안 대고 종이접기한다!
얇고 네모난 물체가 순식간에 비행기로 변해요. 그리고 다시 원래 모습으로 펼쳐지더니 이번에는 바람개비 모양으로 접혀요.
애니메이션 속에 나오는 마법의 양탄자 같지만, 사실 이 물체는 자석을 이용해 개발한 스마트 소재예요. 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 김지윤 교수와 서울대학교 재료공학부 권민상 교수 공동 연구팀은 8월 3일 자석을 이용해 모양을 자유자재로 바꿀 수 있는 스마트 소재를 발표했어요.
연구팀이 개발한 스마트 소재는 유연한 플라스틱 같은 고분자 물질에 마이크로미터 단위 크기의 작은 알갱이들을 넣어 만들었어요. 바로 이 알갱이 속에 스마트 소재의 비밀이 숨어 있답니다. 알갱이는 온도에 따라 고체 혹은 액체로 변하는 상변화 물질인 ‘폴리에틸렌글리콜(PEG)’과 네오디뮴 자석 가루로 이뤄져 있어요. PEG는 58℃보다 낮은 온도에서는 고체로, 높은 온도에서는 액체로 변하는 특성이 있지요.
따라서 온도가 58℃ 이하일 때는 고체 PEG에 박혀 옴짝달싹 못 하던 자석 가루들이 온도가 58℃ 이상일 때는 액체 PEG 속에서 자유롭게 움직여요. 이때 외부에서 자기장을 만들어 주면 자석 가루들이 자기력을 받아 일정한 방향으로 배열이 돼요. 그러면 스마트 소재는 물렁한 자석처럼 행동해요.
이후 외부에서 주는 자기장의 방향을 바꾸며 스마트 소재의 어떤 부위는 늘리고, 어떤 부위는 수축시키면 원하는 모양으로 만들 수 있어요. 원하는 모양을 완성했다면 온도를 58℃ 이하로 낮춰 스마트 소재를 다시 딱딱하게 만들면 되지요. 김지윤 교수는 “이번에 개발한 스마트 소재는 유연한 전기소자나 소프트 로봇을 만드는 등 다양한 분야에서 활용될 것”이라고 말했답니다.
