고분자를 이용한 방탄조끼의 원리

펜,방탄조끼,계산기의 공통점

고분자

색이 변하는 펜,방탄조끼,계산기의 공통점은 무엇일까요? 색이 각각 물품들을 작동하게 하는 확학 물질은 액정입니다.

액정은 많은 곳에 응용되고 있습니다. 액정 디스플레이(LCD)와 색이 변하는 제품 등이 아마도 가장 보편적으로 알고 있는 응용 제품이지만, 액정은 초강력 합성 섬유를 만드는 데에도 쓰입니다.

 

분자들은 일반적으로 결정 상태에서 규칙적인 배열을 유지하지만, 액정에서는 흘러 다닐 수 있는 동시에 규칙적인 배열을 유지할 수 있습니다. 액정 분자들은 선형이며 극성입니다. 원자들은 비교적 일렬로 정렬하려는 경향이 있으므로 일반적으로 분자들은 옆으로 넓게 퍼져 있기 보다는 더 길게 배열합니다. 이러한 극성 분자들은 서로 인력이 작용하여 고체화 되지 않아도 규칙적인 형태로 줄지어 배열 할 수 있습니다.

 
비틀린 분자 배열의 액정은 새로운 색-변환 제품에 쓰집니다. 이러한 액정에서 분자들은 거의 평평한 층 안에서 옆으로 나란히 놓인다, 다음 층도 유사하나, 그 아래의 층과 다른 각도로 놓이게 됩니다. 이렇게 차곡차곡 쌓인 평평한 층들은 빛을 받으면 특별한 효과를 나타냅니다. 빛이 표면을 때릴 때, 빛의 일부가 최상층에 의해 반사되고 어떤 빛은 그 아래의 층들에 의해 반사됩니다. 같은 파장의 빛이 많은 층들로부터 반사될 때 색깔이 관찰됩니다. 온도가 상승하면 분자들은 빠르게 움직여서 층 사이의 각도와 간격을 변화시킵니다. 이런 변화는 반사된 빛의 색깔 변화를 일으킵니다. 다른 종류의 화합물들은 다른 온도 범위에서 색깔을 변화시키므로, 매우 실용적이고 재미있는 응용을 가능하게 합니다.

 

방탄조끼의 원리

분자들이 서로 평행하게 놓여 있는 액정분자들은 매우 강한 합성섬유들을 만드는데 이용됩니다. 아마도 이러한 액정의 가장 좋은 예는 바로 방탄조끼,카누,우주 왕복선의 부속품을 만드는데 사용되는 합성 섬유인 케블라 일것입니다. 나일론 또한 폴리에스터와 같은 합성 고분자인 케블라는 제조 과정동안 액정 상태를 이룸으로써 강도를 얻습니다.

 

전형적인 고분자에서는 긴 분자 사슬들이 스파게티처럼 함께 뒤엉켜져있습니다. 그런 불규칙적인 배열 때문에 전형적인 고분자들은 높은 강도에 도달할 수 없습니다. 강도를 얻게 된 비결은 분자들이 서로 평행하게 배열하는 것입니다. 일단 그 거대 분자들이 합성되면 황산에 용해됩니다. 적당한 농도에서 분자들이 정렬되고, 이어서 용액이 노즐의 미세한 구멍을 통해 밀려나가면서 더욱 정렬됩니다. 물중탕에서 황산을 제거하면 거의 완벽히 정렬된 고체 섬유가 형성됩니다, 케블라 섬유 한 가닥은 같은 크기의 강철 한 가닥보다 강합니다. 또한 밀도가 매우 낮으므로 방탄조끼를 만드는 물질로 선택되었습니다.