유리는 액체인가요, 고체인가요? 유리는 비정질 고체 또는 과냉각 액체다?

유리는 액체인가요, 고체인가요? 유리는 비정질 고체 또는 과냉각 액체다?

중세 건물의 스테인드글라스 창문에는 이상한 점이 있습니다: 

그것들은 보통 위쪽보다 아래쪽이 더 두껍습니다. 

 

많은 사람들은 유리가 실제로 수세기에 걸쳐 판유리 아래로 흘러내린 액체이기 때문이라고 믿습니다. 

 

반면에, 다른 사람들은 유리가 고체이거나 비정질 고체 또는 

과냉각 액체이기 때문에 흐르지 않는다고 주장합니다.

그렇다면 유리란, 정말로 고체인가요, 액체인가요, 아니면 그 사이에 있는 무언가인가요?

펜 스테이트의 재료 과학자인 존 마우로는 

"진정한 액체도 진정한 고체도 아니며 두 가지 특성을 모두 가지고 있지만

고유한 물질 상태입니다."라고 말했습니다.

 

"기술적 정의에 따르면 유리는 짧은 시간 내에 고체처럼 보이지만

액체 상태로 계속 이완되는 비평형, 비결정 상태의 물질입니다."

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복잡하게 들릴 수도 있지만, 이 설명의 각 구성 요소를 따로 살펴보면 

유리가 고체와 액체 형태 사이에 어떻게 위치하는지 알 수 있습니다.

먼저, 유리는 단순히 창문에 사용하는 투명한 재료가 아니라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 

오히려, 그것은 명확하지 않은 자료들의 집합입니다. 

"모든 종류의 천연 안경과 인공 안경이 있습니다."라고 마우로는 말합니다. 

 

"대부분의 일상적인 유리는 모래, 석회석, 소다회를 섭씨 

약 1,500도[화씨 2,732도]에서 녹여 만든 소다석회 실리케이트 유리입니다. 

 

하지만 내열성 파이렉스나 강하고 구부릴 수 있는 고릴라 글래스와 같은 

다른 종류의 화학 물질이 있어 특수한 특성을 부여합니다."

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유리의 종류는 화학적으로 다르지만, 개별 재료의 구조는 많은 공통점을 가지고 있습니다. 

이 구조, 즉 물질 내부의 원자와 분자의 배열이 유리의 구조와 고체인지 액체인지에 대한 혼란을 야기합니다.

영국 셰필드 대학교 유리 연구 센터의 재료 과학자인 존 파커는

"고체를 만드는 것은 원자가 물질 내에서 고정되어 있다는 것입니다."라고 말했습니다.

 

"반면에 액체에서는 원자들이 여기저기 흩어져 있어서 쉽게 재배열될 수 있습니다."

일반적으로 고체를 생각할 때, 우리는 사실 규칙적이고 질서 정연한 구조를 가진 

소금과 같은 결정질 물질을 의미합니다. 

 

녹는점 이하에서는 이 고체 결정 구조가 가장 안정적인 형태이며, 

녹는점 이상에서는 액체 형태가 더 안정적입니다. 

 

모든 물질은 평형 상태에 있는 것으로 알려진 가장 안정적인 형태를 채택하고자 합니다. 

그러나 유리는 이 안정된 상태에서는 존재하지 않기 때문에 특이합니다.

유리는 시럽처럼 매우 점성이 강한 액체를 얻기 위해 다양한 성분을 녹여 만드는데, 

이 액체는 쉽게 흐르지 않는다고 파커는 말했습니다. 

 

"그런 다음 빠르게 냉각되지만 점성이 너무 강하기 때문에 

원자들이 쉽게 이동하여 더 질서 정연한 고체 구조로 재배열되지 못하고 무질서한 배열에 갇히게 됩니다."

라고 그는 설명했습니다. 

 

"재료는 기계적으로 고체이지만 액체와 같은 무질서한 구조를 가지고 있습니다."

평형에 도달하려면 유리가 액체 상태로 되돌아가야 합니다. 

하지만 상온에서는 입자가 너무 느리게 움직여서 실용적이지 않습니다. "

이것이 바로 준안정 균형이라고 불리는 것입니다."라고 마우로는 말합니다. 

 

"우리가 그것과 상호작용할 때는 액체를 향한 이완 동작보다 훨씬 짧은 시간 척도에 있기 때문에 견고해 보입니다."


모든 의도와 목적에 상관없이, 이는 수십억 년에 걸쳐 측정된 재료에 

엄청나게 느린 변화가 있을 수 있지만 유리는 액체보다는 고체처럼 행동한다는 것을 의미합니다.

파커는 "실질적인 의미에서 유리는 합리적인 시간 척도로 

측정되는 단단한 고체로 정의할 수 있습니다."라고 말했습니다.

유럽에서 가장 오래된 성당의 시간 척도조차도 유리 패널이 액체처럼 

행동하는 것을 보기에는 충분하지 않습니다.

 

 파커는 "1,000년 전에는 균일하게 두꺼운 유리를 만들 수 없었고 

프레임 안에서 저쪽으로 올라가거나 반대 방향으로 올라가야 했기 때문에 

창문 유리가 휘어진 것에 대해 훨씬 더 간단한 설명이 있습니다."라고 말했습니다.

 

 

 

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