벌집은 왜 육각형일까?

생물에서 배우는 재료과학의 원리

황연 지음

시그마북스 2024년 10월 18일 출간 국내도서 : 2024년 10월 18일 출간

작품소개

책소개

이 책은 벌집, 코뿔소의 뿔, 모르포나비의 색, 곤충들의 소리, 연잎 위의 물방울, 도마뱀붙이의 발가락, 폭탄먼지벌레의 분비물, 북극곰의 털, 박쥐의 날개, 조개 속 진주 등 우리가 평소에 미디어 등을 통해 자주 접하던 생물의 기능에 대한 근본적인 원리를 살펴본다. 각종 생물의 특성을 뒷받침하는 가장 기본적인 재료과학적 원리에 주목해 쉽게 풀어내고 설명해주고 있다. 이 책이 여러 생물과 과학에 호기심이 생기는 계기가 되어줄 것이다.

목차

서문

제1장 육각형 집
꿀벌 군집 | 벌집 | 밀랍 | 열가소성과 열경화성 | 준안정 상태 | 집짓기 | 미의 기준
용어 해설

제2장 황금 코뿔소
분노의 아이콘 | 뿔 | 단단한 피부 | 복합 재료 | 황금 코뿔소 | 트로피 사냥
용어 해설

제3장 무지갯빛
모르포나비 | 청색 안료 | 공작 | 자개 | 나노 구조 | 광결정 | 화가의 고민
용어 해설

제4장 소리로 이미지 그리기
메아리 | 떨림과 반향 | 생물이 소리 내는 법 | 음파 탐지기 | 쫓는 자와 쫓기는 자 | 시끄러운 바다 | 사이렌의 노래
용어 해설

제5장 물방울 굴리기
진흙에서 피어난 꽃 | 물이라는 물질 | 물방울 굴리기 | 물방울 매달기 | 혼돈 속의 파편 | 사막에서 살아남기
용어 해설

제6장 끈끈이
미션 파서블 | 접착력의 원천 | 나눌수록 강해진다 | 자체 유사성 | 더러운 표면
용어 해설

제7장 소총수의 고뇌
화약 | 청동에서 철기로 | 폭탄먼지벌레 | 열역학 | 과학하는 자세: 호기심 천국
용어 해설

제8장 투명 털옷
처칠: 북극곰의 수도 | 검은 피부 위에 흰 털 | 산란 | 태양 에너지 가두기 | 체온을 뺏기지 않기 | 에너지를 수확하다 | 북극곰이 발을 뻗을 곳
용어 해설

제9장 윙슈트
목숨을 걸다 | 박쥐 슈트 | 천연 멤브레인 | 야간 비행 | 핼러윈
용어 해설


제10장 얼어붙은 눈물
보석 아닌 보석 | 불순물 | 진주 목걸이 | 벽돌 쌓기 | 반짝임과 영롱함 | 역사를 바꾼 진주
용어 해설

참고 문헌
찾아보기

책 속으로

육각형 구조는 공학을 모르는 사람에게도 튼튼한 구조로 보이는데, 실제로도 그렇다. 육각형 구조는 무게 대비 강도가 가장 높다. 이러한 구조를 벌집 이름에서 빌려와 하니콤 구조라고 부르고, 경량이면서도 높은 강도가 필요한 각종 구조물에 이용하고 있다. 예를 들어, 비행기 날개의 내부에 하니콤 구조를 설치해 비행기의 날개가 큰 양력을 받을 때 너무 많이 휘어지지 않도록 굽힘 강성을 부여한다.
제1장_육각형 집

동물이 내는 소리는 동료들 사이의 의사 교환에 필요할뿐더러 먹잇감을 구하는 데에도 유용하다. 마치 메아리처럼 자신이 발생한 음파가 먹이에 충돌해 되돌아오는 것을 잡아내면 상대방의 위치를 알아낼 수 있다. 이러한 방법을 반향정위라고 한다. 신체의 일부분을 사용해 떨림을 만들고, 상대방으로부터 반향된 음파를 분석하는 것이다. 그러니까 떨림과 반향은 어느 동물들에게는 매우 중요한 물리적 현상이다.
제4장_소리로 이미지 그리기

물질은 표면의 극성에 따라 친수성 물질과 소수성 물질로 구별된다. 친수성은 물 분자에 끌려서 물에 용해되는 성질이고, 소수성은 물에 끌리지 않으며 물에 반발하는 성질이다. 극성이 강한 물질은 같은 극성 물질인 물에 이끌려서 친수성 물질이다. 극성 물질끼리 접촉하면 서로 다른 전하 사이에 정전기적 인력이 작용해 서로 ‘친한’ 물질이 되는 것이다. 이와 반대로 소수성은 극성이 낮아서 물과 친하지 않다. 여기서 연잎의 표면은 소수성임을 유추할 수 있다.
제5장_물방울 굴리기

모세관 힘 또는 반데르발스 힘이 접착력에 미치는 영향을 어떻게 확인할까? 앞 장에서 분자간 힘에 대해 알아보았다. 분자간 힘을 일으키는 보편적인 원천은 물질을 구성하는 원자나 분자 사이에 발생하는 전하 불균형이다. 영구 쌍극자는 특수한 조건에서 나타나는 반면에, 유도 쌍극자는 정도의 차이가 있을지언정 언제든 일어날 수 있다. 물질 내에서 전하가 분리되는 정도를 분극률이라고 하고, 재료가 가지는 총 분극을 측정한 거시적인 값을 유전율이라고 한다. 분극률이 클수록 유도 쌍극자가 발생할 확률이 높고, 반데르발스 힘이 강해진다.
제6장_끈끈이

북극곰의 털이 가지는 보온 메커니즘은 이것뿐이 아니다. 각질층은 빛을 산란시킬 뿐만 아니라 빛을 흡수해 냉광이라는 현상을 일으킨다. 물질이 빛 에너지를 흡수하면 낮은 에너지에 놓여 있던 전자가 더 높은 에너지 상태로 옮겨간다. 이를 여기라고 한다. 여기된 전자 입장에서 보면 더 낮은 에너지 상태가 비어 있으므로 다시 원래 상태로 되돌아가게 되는데, 이때 낮아지는 만큼의 에너지를 방출하게 된다. 이 과정이 반복되면서 태양광이 가진 에너지의 일부가 털에 흡수된다.
제8장_투명 털옷

박쥐의 얇은 날개를 자세히 들여다보면 가는 주름으로 덮여 있다. 날개에 표시된 가는 선들은 단백질의 일종인 엘라스틴 섬유질 근육이다. 엘라스틴 섬유는 무작위로 배열된 조금 더 딱딱한 콜라겐 섬유질 기지에 박혀 있다. 박쥐 날개의 뛰어난 신축성은 바로 이와 같은 이중 조직에 기인한다. 날개의 재질은 곤충 날개의 큐티클이나 조류 깃털의 케라틴보다 훨씬 유연하다. 멤브레인의 두께는 130~300마이크로미터이며, 다른 포유류의 피부보다 월등히 얇다. 엘라스틴 섬유는 콜라겐 기지를 잡아주는 역할을 한다. 날개가 접혀 있을 때 표면에는 잔주름이 접힌다. 날개를 펴면 엘라스틴 섬유가 활짝 펴지면서 주름이 없어지고, 그 사이의 콜라겐 기지는 팽팽해져서 비행에 필요한 강성을 얻는다.
제9장_윙슈트

이제부터 진주가 만들어지는 과정을 들여다보자. 먼저 두꺼운 조개껍데기를 골라 정육면체에 가까운 형태로 절단한 후 이를 구형으로 깎아낸다. 이것을 비드 핵이라고 하며, 조개 내에 이식하면 조개가 이물질로 인식하게 된다. 비드 핵을 넣어서 맨틀 조직에 있는 외투막 세포와 결합시킨다. 이식 단계에서 실패하면 진주는 성장하지 못한다. 이후 진주 주머니가 생성되어 비드 주위를 둘러싸게 되는데, 주머니 안에서 탄산칼슘과 단백질이 분비되어 결정 성장을 일으킨다. 이때 형성되는 탄산칼슘 결정은 아라고나이트 상이다. 아라고나이트의 결정 구조는 사방정계이므로 각이 진 모양이다. 가는 침상 형태의 결정들이 여러 번에 걸쳐 쌍정을 이루면서 육각형과 유사한 모습으로 성장한다. 아라고나이트 결정들이 비드 핵의 표면에 차곡차곡 붙어서 진주가 성장하게 된다.
제10장_얼어붙은 눈물

출판사 서평

벌은 어떻게 아름답고 튼튼한 육각형 집을 지을 수 있었을까?
벌집에는 ‘재료과학’의 원리가 작동하고 있다!
주변이나 미디어에서 접하는 생물들을 보면 신기하고 궁금한 점이 하나씩 생기기 마련이다. 벌은 왜 육각형으로 집을 짓는 것일까? 그것도 완벽하게. 나비의 날개나 자개, 공작의 깃털은 어쩜 그렇게 아름다운 색깔을 띨까? 연잎은 어떻게 물방울을 또르르 굴리는 걸까? 등. 이 책은 재료과학이라는 관점에서 이러한 생물들의 신기하고도 뛰어난 능력을 살펴보고 있다.
재료과학이란 물질을 합성하고, 만들어진 제품의 물리화학적 특성을 규명하는 과학기술의 한 분야다. 어떤 제품을 제조하는 데 기여하므로 공학에 속하지만, 물질의 근본을 탐구하지 않으면 물성을 해석하지 못하므로 과학이기도 하다. 따라서 재료과학은 물리, 화학, 전기/전자, 기계 등의 분야를 넘나든다.
그동안 여러 과학 분야에서 다양한 관점에서 생물에 관해 다루려는 시도가 있었지만, 이러한 대부분의 시도들은 주로 모방과 신제품개발에 초점을 맞추고 있다. 생물이 지닌 특징들을 알아내어, 그것을 활용해 인간생활에 필요한 제품개발을 하는 것에 집중한 것이다. 생물이 지닌 기초원리를 이해하지 않고서는 더 복잡하고 다양한 생물들이 지닌 기능들을 이해할 수 없다. 이 책에서는 이러한 사실에 주목해 열 개의 생물들을 예로 들어 설명한다.

도마뱀붙이의 발가락, 북극곰의 털, 박쥐의 날개 등
생물의 놀라운 기능 속 과학의 모습들
이 책에서는 각 꼭지별로 한 생물의 특성을 먼저 기술하고, 이 특성에서 볼 수 있는 재료과학의 기본원리를 찾아 간략하고 명료하게 설명하고 있다. 재료공학과 관련해 총 열 개의 꼭지에서 설명된 열 개의 생물들에 관한 이야기를 다루고 있는 것이다. 생물의 놀라운 기능을 모방한 제품에 관해서보다는 그 기능 안에 내재된 과학 원리를 충실하게 설명한다.
각 장마다 과학 용어를 가급적 충실하게, 그리고 쉽게 설명하고자 노력했다. 물론 이를 읽지 않아도 본문을 이해하는 데 큰 어려움은 없을 것이다. 다만 우리가 평소에 자주 접하던 생물들이 어떤 재료과학적 원리에 도움을 받고 있는가를 들여다보는 계기가 된다면 더 이상의 바람이 없을 것이다.

작가정보

저자(글) 황연

서울대학교 무기재료공학과에서 박사학위를 취득했다. 한국과학기술연구원, 한국지질자원연구원을 거쳐 현재 서울과학기술대학교 신소재공학과 교수로 재직하고 있다. 그동안 ‘비정질 재료’, ‘재료분자 열역학 입문’, ‘자성재료의 기초’, ‘고체 계면론’, ‘다공체 재료’, ‘재료 열분석’, ‘플라즈마 재료공학’ 등의 전공서를 낸 바 있다. 본서는 교양과학서로는 처음인데, 청소년이나 과학에 관심이 많은 독자를 대상으로 재료과학에 관한 관심을 이끌어내고 싶은 마음으로 집필했다