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〈과학 쫌 아는 십대〉 시리즈의 10번째 책
나노재료화학 분야의 고수 장홍제 교수가 완벽하게 정리한 신소재의 모든 것

소재를 만드는 열쇠를 찾아,
그리고 신소재 발견의 꿈을 향해!

‘더 높은 단계로 도약하는 열띤 과학 토론의 장’ 풀빛의 청소년 교양 과학 시리즈 〈과학 쫌 아는 십대〉의 10번《신소재 쫌 아는 10대: 석기부터 나노까지, 소재로 쌓인 문명의 탑》이 출간되었다. 《물질 쫌 아는 10대》와 《원소 쫌 아는 10대》를 통해 화학의 기본기를 다지게 도왔던 장홍제 교수가 이번에는 화학이라는 토대 위에서 공학의 영역인 소재와 재료 개발이 이루어지는 다채로운 과정을 《신소재 쫌 아는 10대》를 통해 흥미롭게 펼쳐 보인다. 편리한 현대 문명은 이름도 익숙지 않은 수많은 소재가 이룩해 왔다 해도 과언이 아니다. 연필심이 휘어지는 디스플레이를 만들고, 모래가 전자기기의 핵심인 반도체가 되며, 평범한 광물로 알던 구조가 태양광 발전을 선도하고, 유기물이 뭉치고 또 뭉쳐져 플라스틱이라는 신소재를 만들어 냈다. 도대체 어떻게 이 많은 소재가 탄생하게 되었을까? 소재마다 쓰임이 다 다를까? 새로운 소재는 계속 만들어질 수 있나?
이 책은 소재와 관련한 무궁무진한 호기심에 화학이라는 언어로 차근차근 답한다. 책을 펼치면 정말 흔하게 찾아볼 수 있던 원소들이 물리적 그리고 화학적인 원리와 관계를 통해 전혀 새로운 물질로 바뀌는 놀라운 장면이 등장한다. 그러면서 독자를 화학과 일상, 화학과 공학의 교차로로 안내한다. 독자는 이제 신소재 개발로 향하는 탐험선의 탑승구 앞에 섰다. 화학의 무한한 가능성의 영역, 일상과 가장 밀접하게 존재하는 친밀한 화학의 탐험선에 탑승할 승객을 《신소재 쫌 아는 10대》가 기다린다.

1. 인류의 역사를 만들어 온 소재를 화학적으로 파헤치다
소재는 인간이 의지를 가지고 물건을 다루기 시작하면서 한 번도 인간과 떨어진 적이 없던 필수 요건이었다. 먼 옛날 그저 단단하고 날카롭기만을 바라며 돌을 고르던 순간부터 지금까지 이어져 온 소재에 대한 인류의 경험과 지식은, 과학을 만나 원리를 이해하면서 알려지지 않은 새로운 소재를 탄생시켜 왔다. 날것 그대로의 암석을 바탕으로 이루어졌던 석기 문명은, 구리(Cu)와 주석(Sn)의 합금이자 기존에 없던 높은 강도와 안정성을 보인 청동이 나타나면서 역사 속으로 사라졌다. 하지만 청동기시대 역시 새롭게 등장한 철(Fe)이라는 소재에 의해 쇠락하고 만다. 철기시대를 열었던 철은 탄소가 혼합되며 ‘강(steel)’이라는 더욱 강하고 잘 부러지지 않는 금속 재료를 탄생시켰고, 계속된 시도 끝에 크로뮴(Cr), 망가니즈(Mn), 니켈(Ni), 몰리브데넘(Mo) 등이 첨가되어 녹이 슬지 않는 강인 ‘스테인리스강(stainless steel)’이 탄생해 일상적으로 사용되기에 이르렀다.
전쟁에 쓰이는 무기부터 식량 생산에 직결되는 농기구의 제작에 이르기까지 소재의 개발은 사유재산, 종교, 문화, 지배체제 등 사회 전체 구조와 분위기를 만들고 바꾸는 중요한 견인차이다. 그렇다면 이 다양한 소재는 누가 어떻게 만들고 발견한 것일까. 《신소재 쫌 아는 10대》는 역사적으로 문명의 전환에 계기가 되었던 중요한 재료를 소개하며, 이것들이 어떤 화학적 원리로 탄생하고 변화해 새로운 소재로 쓰이게 되었는지를 하나하나 소개한다. 소재의 단순한 나열이 아니라 소재가 탄생하는 원리부터 알려 주는 것이 이 책의 미덕이다.

2. 현대 문명을 이룩한 다양한 신소재들
배달 음식이 담겨져 온 그릇, 목이 말라 편의점에 들러 산 음료수의 병, 계산하려고 꺼낸 카드…. 우리의 일상은 플라스틱을 빼고선 유지하지 힘들 만큼 플라스틱에 많은 것을 의존하고 있다. 떨어뜨려도 깨지지 않고 물에 닿아도 녹지 않으며 이렇게 저렇게 원하는 대로 모양을 만들 수 있는 플라스틱. 플라스틱은 현대 사회를 만들어 낸 신소재임에 틀림없다. 과연 누가 언제 어떻게 플라스틱이라는 소재를 개발했을까. 지금은 재활용이 힘든 탓에 환경 오염의 주범으로 골칫거리인 플라스틱이지만, 놀랍게도 처음 플라스틱을 개발한 이유는 당구공 제조에 쓰이던 상아를 대체하기 위해서였다. 단단할 뿐만 아니라 열에 강하고 닳지 않으며 탄성력까지 뛰어난 상아는 19세기까지 피아노 건반, 도장, 단추, 장신구 등을 만들 때 널리 사용되면서 수요가 급증했고, 이를 충당하기 위해 코끼리 포획이 무분별하게 이루어져 코끼리를 보호할 필요성이 생겼다. 결국 상아를 대체하려는 시도가 이어졌고 베이클라이트라는 최초의 합성수지가 만들어지면서 본격적인 플라스틱의 시대가 열리게 되었다.
다양한 신소재의 발견은 플라스틱을 개발하려는 처음의 좋은 의도처럼, 불편한 것을 편리하게, 안전하지 못한 것을 안전하게, 속도가 느린 것을 더 빠르게, 약한 것을 더 강하게 하려는 목적에 의해 이루어졌다. 단단하지만 녹이 슬어 불편하기에 이런저런 금속을 첨가해 녹슬지 않는 철을 탄생시켰고, 필라멘트의 짧은 수명이 반도체를 발견하게 한 동력이었다. 쉽게 부서지지 않고 오래가는 세라믹 소재가 일상을 채우는 도구로 쓰이고, 재생에너지에 대한 전 지구적 요구가 태양광 전지의 소재를 개발하게 만든 요인이 되었다. 이렇듯 소재는 인류의 필요를 반영하며 끊임없이 발전하고 있으며, 현대 문명을 이룩한 다양한 소재가 무엇인지 이 책에 담겨 있다. 석탄보다 유용하고 다이아몬드보다 가치 있는 탄소 신소재, 모래에서 탄생한 반도체 신소재, 태양광 발전의 시대를 연 페로브스카이트와 같은 합금과 세라믹 소재, 고분자 신소재와 플라스틱, 나노소재 등의 면면이 흥미롭게 정리되어 있다.

3. 인류의 발전에 기여할 새로운 소재 발견의 꿈을 향해
처음 의도와 달리 환경 오염의 주범으로 지목되는 플라스틱. 그렇다면 멈춰야 할까. 연구자들의 노력은 재활용이 가능하고 폐기가 용이한 안전한 플라스틱 소재의 개발에 향해 있다. 지금까지는 생활을 더욱 편리하고 더 화려하게 만드는 데 초점이 맞춰진 신소재 개발이었다면 앞으로는 편리함 이상의 가치를 실현하는 신소재 개발이 더욱 중요한 때다. 재생에너지 상용이 가능하도록, 환경에 위해가 되지 않도록, 안전한 공동체 생활이 가능하도록 만드는 신소재의 개발. 이런 중차대한 목표를 향해 우리 모두가 노력하도록 《신소재 쫌 아는 10대》는 소재의 무한한 가능성과 화학의 원리를 소개한다. 우리 앞에 놓인 현실적 고민을 해결하기 위해 이 책을 펼쳐 보기를 제안한다.

◇ 더 높은 단계로 도약하는 열띤 과학 토론의 장 〈과학 쫌 아는 십대〉
〈과학 쫌 아는 십대〉가 10권 출간에 이르렀다. 오랜 기획은 물론 정성 들인 집필과 편집으로 2019년 1월부터 출간을 시작해 지금에 이르렀다. ‘2015 개정 교육 과정’은 자주적이고 창의적이며 더불어 사는 인간상을 추구한다. 그 가치관 아래 교과별 핵심 개념과 원리를 중심에 두고 인문ㆍ사회ㆍ과학기술에 대한 기초 소양 교육을 강화하면서 교과 간 통합과 융합 교육을 하는 데 초점을 맞추고 있다. 미래형 인재를 만들려는 이런 교육의 흐름에 맞춰, 풀빛은 지식의 양보다는 핵심이 되는 개념을 선별하고 그것이 어떤 원리로 이루어져 있고 어떻게 적용할 수 있는지를 또렷이 알게 하는 청소년용 과학 시리즈를 기획하였다. 핵심과 원리, 그리고 적용이라는 삼박자에 질문과 토론을 유도하는 인문학적 고찰은 중학생 독자와 현장 교사, 학부모들이 원하는 바이자 과학 공부에 대해 〈과학 쫌 아는 십대〉 시리즈가 목표하는 분명한 방향이다.
지금까지 첨단 과학기술인 인공지능의 실체를 현실의 문제들과 접목해 조목조목 해부한 01번 《인공지능 쫌 아는 10대》를 시작으로, 다채로운 성분으로 가득한 세상의 본질을 탐구한 02번 《물질 쫌 아는 10대》, 일상에서 쉽게 행하는 여덟 가지 소비를 통해 환경문제를 파헤친 03번 《환경과 생태 쫌 아는 10대》가 출간되면서 〈과학 쫌 아는 십대〉 시리즈는 과학적 지식을 우리 삶과 연결하는 적극적 노력을 선보였다. 이후 우주 탄생론을 흥미롭게 정리한 04번 《빅뱅 쫌 아는 10대》와 문명을 일구고 다지는 데 기여한 빛의 세계를 담은 05번 《빛 쫌 아는 10대》, 세상을 이루는 가장 기본이 되는 원소를 문명사와 연결한 06번 《원소 쫌 아는 10대》는 지구과학, 물리, 화학 분야를 대표하는 키워드를 중심 삼아 과학 저변을 소개하였다. 다음으로 블랙홀과 중력파에 이르기까지 중력의 모든 것을 소개한 07번 《중력 쫌 아는 10대》, 늘 주변에 있지만 가치를 알지 못했던 전자기파의 실체와 원인 그리고 활용 방안에 대해 설명한 08번 《전자기 쫌 아는 10대》가 연달아 출간되며 독자가 물리학의 지평을 넓힐 수 있도록 도왔다. 기후 위기가 왜 도래했는지 과학적으로 설명하고 기후 정의의 차원에서 이를 극복하는 방안을 설명하는 09번 《기후 변화 쫌 아는 10대》는 긴박한 지구 위기의 해법을 제안한다. 소재를 통해 원소라는 화학의 기초가 어떻게 기술공학으로 탄생하는지를 흥미롭게 설명한 《신소재 쫌 아는 10대》가 10번을 장식했다. 앞으로 《바이러스 쫌 아는 10대》, 《지진 쫌 아는 10대》, 《유전자 쫌 아는 10대》 등 〈과학 쫌 아는 십대〉 시리즈는 계속된다.
미래 지향적인 현실 소재에서부터 기초과학의 토대가 되는 핵심 개념까지 〈과학 쫌 아는 십대〉는 전방위로 과학을 아우른다. 이런 지식들을 단순히 정보를 앞세워 기술하기보다 원리는 무엇이고 어떻게 적용을 하며, 해결되지 않은 과학적 문제는 무엇이고 야기하는 쟁점은 무엇인지, 결과적으로 우리가 그것을 어떻게 받아들여 해석하고 이해해야 하는지를 대단히 입체적으로 다루는 것이 이 시리즈의 특징이다. 중학생 조카를 앞에 두고 친밀하게 이야기를 건네듯, 〈과학 쫌 아는 십대〉는 십대의 눈높이에 맞춰 가장 친절하고 가장 쉬운 설명이 핵심이다. 거기에 내용을 풍성하게 하는 사진 자료와 핵심을 파고들되 위트로 무장한 삽화로 처음부터 끝까지 호기심을 잃지 않고 완독할 수 있게 하는 매력을 갖추고 있다. 작은 부분도 놓치지 않고 10대를 위해 내용과 형식에 정성을 다한 〈과학 쫌 아는 십대〉를 친구처럼 곁에 두기를 제안한다.

〈과학 쫌 아는 십대〉를 펴내며
소재를 만드는 열쇠를 찾아

1. 원소에서 물질을 거쳐 소재까지
무엇으로?보다는 어떤 식으로!
원자에서 원소로, 그리고 물질로
소재란 무엇일까?
신소재가 바꿔 온 인류의 역사
기준에 따라 소재를 분류해 보자

2. 석탄보다 유용한, 다이아몬드보다 가치 있는 탄소 신소재
물질 변화의 당김쇠, 연소와 산화
진짜 다이아몬드를 확인하는 방법
탄소로 만들어진 점: 버크민스터 풀러렌
점에서 선으로: 탄소나노튜브
다시 흑연처럼 2차원 평면으로: 그래핀
그래핀을 넘어서, 차세대 신소재들

3. 모래에서 탄생한 빛: 반도체 신소재
반도체란?
반도체의 기본 원리: 에너지띠
반도체, 어떻게 만들어지고 어떤 소재를 탄생시켰을까
이렇게나 다양한 첨단 반도체 신소재들
더 작은 세계, 반도체 양자점
반도체 신소재의 미래

4. 익숙하지만 낯선 신소재: 합금과 세라믹
합금의 기본: 금속결합
왜 합금을 만들고 어떻게 구성되나
첨단 합금 신소재들
열적 안정성, 열처리, 세라믹
태양광 발전의 시대를 연 페로브스카이트
저온? 고온? 상온?: 초전도체 이야기

5. 고분자 신소재와 플라스틱
코끼리와 상아를 보호하기 위해
플라스틱은 왜 사랑받는가?
열경화성 플라스틱과 열가소성 플라스틱
바이오 플라스틱
기능성 플라스틱 신소재들

6. 나노과학과 나노소재들
보이지 않아도 분명히 있다
나노소재는 가능성의 영역
색, 빛, 그리고 전자기
신소재로 쌓아 올리는 신소재
나노 신소재의 활용 분야
나노과학 이후엔 어떤 시대가

신소재 발견의 꿈을 향해