News center

[생명과학과가 본 카페] (글) 화학공학과 22학번 28기 알리미 사수현  

‘얼죽아’라는 말 들어본 적 있지? ‘얼어 죽어도 아이스 아메리카노’라는 뜻으로, 아무리 추워도 아이스 아메리카노를 고집하는 사람들을 이렇게 부르곤 해! 왜 아이스 커피를 고집하는 걸까? 흠… 온도에 따라 커피의 맛이 달라지기라도 하는 걸까? 인간은 기본적으로 단맛, 짠맛, 쓴맛, 신맛, 감칠맛 5개의 맛을 느낄 수 있어. 맛은 50-100여 개의 미각세포가 모인 미뢰로부터 인식돼. 미뢰는 총 3가지 종류의 미각세포로 이루어져 있는데, 미각세포에는 미각 수용체가 들어있어. 맛을 갖는 화학 물질이 미각 수용체를 통해 미각세포로, 미각세포에서 뇌로 자극이 전달되어 맛을 느끼는 거지. 특히 쓴맛, 단맛, 감칠맛은 II형 미뢰세포 안에 있는 미각 수용체로부터 인식되고, Ca2+ 이온 농도에 의존적인 양이온 통로인 TRPM51를 사용하는 등 유사한 인식 과정을 거쳐. 좀 더 자세히 알아볼까? 먼저, 쓴맛, 단맛, 감칠맛을 가진 물질이 그 맛을 감지하는 G단백질 연결 수용체에 의해 인식돼. 이후 이 인식에서 시작된 신호 전달 과정을 거쳐 Ca2+ 이온이 소포체로부터 방출되면 높아진 Ca2+ 이온 농도를 인식한 TRPM5가 열리는 거야. 그리고 열린 TRPM5를 통해 Na+ 이온이 외부로부터 유입되면서 활동전위2가 발생하고 탈분극3이 일어나.

이렇게 세포 내부 전위가 바뀌면, 전위에 따라 ATP4를 투과시키는 통로가 열리고 ATP가 방출되어 뇌로 신호가 전달돼. 그러면 우리는 맛을 느낄 수 있는 거지! 그런데 이 경로에서 가장 핵심적인 양이온 통로 TRPM5는 15~35℃ 사이에서 잘 개방되는 경향이 있어. 여러 미각세포 중 이 통로가 열리는 세포의 비율이 늘어나면 자극이 더 잘 전달되겠지? 즉, 이 범위보다 온도가 높아지거나 낮아지면 열리는 TRPM5의 수가 적어져 자극이 잘 전달되지 않고, 결국 쓴맛을 제대로 느끼지 못하는 거야! 아마도 우리는 커피의 쓴맛을 피하려고 아예 뜨겁거나 차가운 커피를 마시게 된 게 아닐까? 그럼 난 덜 쓴 아이스 아메리카노 먹으러 가야겠다! [각주]1. 동물세포의 세포막에서 Ca2+ 등에 의해 작동하는 이온 통로 단백질들의 그룹인 TRP(Transient Receptor Potential) family 중 하나.2. 흥분성 세포(근육세포, 신경세포 등)가 역치 이상의 자극에 의해 흥분했을 때 발생하는 막전위(막 내부와 외부 사이의 전위차)의 일시적인 변화.3. Na+ 이온 통로의 개방으로 Na+ 이온이 세포 내부로 유입되며 세포 내부의 전위가 분극 상태의 휴지 전위인 -70mV를 벗어나는 현상.4. 세포 내에서 다양한 생명 활동에 필요한 에너지를 공급하는 화합물. 이 글의 경우에서처럼 신경계에서 신경전달물질로 이용되기도 함.[참고 자료]1. Ye MK. “Physiology of Olfaction and Gustation : Focused on Receptor Cells.” J Clin Otolaryngol Head Neck Surg 31(2020):133-138.2. Liman ER. “Thermal gating of TRP ion channels: food for thought?.”Sci STKE. 326 (2006 Mar 14) pe 123. Taruno, Akiyuki. 2018. “ATP Release Channels” International Journal of Molecular Sciences 19, no. 3: 808[그림 출처]그림 1. Salemme, Rale. “Redpoint Bio : Adventures in Taste (2004-2011).” Beta-Sheet.org. Apr. 1. 2019. http://www.beta-sheet.org/page57/page52/index.html 그림 2. “활동전위란?.” Molecular Devices. https://ko.moleculardevices.com/applications/patch-clamp-electrophysiology/what-action-potential  

  [물리학과가 본 카페] (글) 신소재공학과 22학번 28기 알리미 윤정현  

어? 이게 뭐지? 잠시 화장실에 다녀왔는데 조금 전에 시킨 카페라테에 여러 개의 층이 생겼잖아? 자세히 보니 위에서 아래로 갈수록 색깔이 점점 옅어지네! 이 현상은 왜 일어나는 걸까?

2017년 프린스턴대 하워드 스톤 교수의 연구 결과에 따르면, 카페라테가 여러 층을 이루는 이유는 바로 ‘이중 확산 대류’ 때문이래. 먼저 대류란, 액체나 기체 같은 유체에 밀도 차가 생겼을 때 중력의 영향으로 유체가 이동하는 현상을 말해. 밀도 차는 대표적으로 두 유체의 온도가 다르거나 조성이 다를 때 발생하지. ‘이중 확산 대류’란 밀도 차를 유발하는 원인이 두 가지일 때 일어나는 대류야. 대표적인 예시로 해류의 발생을 들 수 있는데, 해수가 잘 섞이지 않고 고유의 성질을 유지하며 복잡한 해류를 만들 수 있는 이유가 바로 수온 차(온도 차)와 염분 차(유체 조성 차이)에 의한 이중 확산 대류이지. 연구진은 층이 여러 개인 카페라테도 이중 확산 대류에 의한 것이라고 해석했어. 우유에 에스프레소를 부으면 에스프레소가 우유를 뚫고 들어가다가 밀도가 큰 우유의 부력1을 받고 하강을 멈추게 되는데, 이 과정에서 혼합이 일어나 연속적인 농도 차를 보이는 중간 지대가 만들어져.

바로 이 중간 지대에서 카페라테의 각 층이 만들어지는데, 각 층을 ‘순환 단위’라고 불러. 순환 단위는 이중 확산 대류가 일어나는 단위를 말하지. 각 순환 단위의 외곽에 위치해 유리잔에 가까운 액체는 열전도2에 의해 열을 빼앗기며 온도가 낮아져 밀도가 높아지고, 중력에 의해 아래로 내려가. 아래로 내려간 액체는 밀도가 더 높은 아래쪽 액체의 부력으로 인해 하강을 멈춰 유리잔에 먼 안쪽으로 방향을 틀고, 다시 온도가 높아진 액체는 상승하면서 색깔이 다른 각 층, 순환 단위가 만들어지는 거야. 층층이 나뉜 모습이 예쁘긴 하지만, 라테를 마시려면 다시 섞어줘야겠지? 원리를 알고 마시니 더욱 맛있는 것 같아. [각주]1. 유체에 잠긴 특정 대상(고체, 액체, 기체 등)의 상·하면에 작용하는 중력 방향의 압력 차이만큼 대상을 위로 밀어 올리는 힘.2. 열이 고온 부분에서 저온 부분으로, 중간 물질을 통해서 이동하는 현상.[참고 자료]1. 강석기. “[강석기의 과학카페] 카페라테의 유체역학.” 「동아사이언스」. 2018년 01월 02일2. Xue. Nan. et al. “Laboratory layered latte.” Nature communications 8 no.1 (2017): 1960.[그림 출처]그림 1. Xue. Nan. et al. “Laboratory layered latte.” Nature communications 8 no.1 (2017): 1960.  

  [화학공학과가 본 카페] (글) IT융합공학과 22학번 28기 알리미 이유리  

공부할 땐 시원한 아메리카노 한 잔이 필수지! 난 카페인에 민감해서 디카페인으로 주문해야겠어. 음… 그런데 디카페인 커피를 만들 때 카페인을 어떻게 제거하는 걸까? 다양한 카페인 추출 방법이 존재하지만, 그중 많이 사용되는 방법은 초임계 이산화탄소를 이용한 방법이야. 초임계 이산화탄소는 무엇일까? 먼저 초임계 유체에 대해 알아보자! 아래 상평형 그림은 한 물질이 특정 온도와 압력에서 가질 수 있는 상 1과 상평형2에 대한 정보를 나타내고 있어. 그림을 보면 고체, 액체와 같이 하나의 상만 존재하는 영역이 있지. 그리고 두 영역의 경계를 나타내는 선이 있는데, 경계선은 두 상이 공존하는 범위, 즉 두 상이 상평형을 이루는 온도와 압력을 나타내. 선을 따라 압력이나 온도가 변하면 두 상 모두 안정하게 존재하지만, 선을 넘어가는 순간 다른 상으로 전이되는 거지! 상평형 그림에서 주목할 것은 바로 점 C, 임계점(Critical Point)이야. 그림에서 볼 수 있듯이 임계점의 온도와 압력의 조건을 넘게 되면 액체와 기체 사이의 상전이가 일어나지 않고, 기체도 액체도 아닌 초임계유체(Supercritical Fluid) 상태로 존재해. 초임계유체는 하이브리드 상태로서 액체와 기체 중간 정도의 고유한 물리적 성질을 가지게 되는 거야!

그럼 초임계 이산화탄소는 카페인 추출 과정에서 어떻게 사용될까? 먼저 초임계 이산화탄소의 특성을 알아보자. 이산화탄소는 약 31℃, 72.79 atm에 비교적 쉽게 초임계 상태에 도달해. 초임계 이산화탄소는 용해력이 있어 카페인을 녹이는 용매로 작용하고, 계면과의 표면장력3도 0에 수렴해 미세 공간으로의 침투성도 좋아. 동시에 기체의 특성도 가져 확산성도 뛰어나지. 생커피콩에 압력을 가한 상태로 증기를 쐬어 주면 콩이 부풀고 표면적이 증가해 카페인을 제거하기 쉬운 상태가 돼. 부푼 콩을 초임계 이산화탄소에 담그면, 작은 표면장력을 가진 이산화탄소가 빠르게 침투해 카페인을 최대 99%까지 용해하게 돼. 이후 용해된 카페인은 활성탄소4에 의해 흡착되어 분리된 후 제거되는 거지! 내가 마시는 커피 속에 이런 원리가 있었구나~ 어? 주문한 커피가 벌써 나왔네! 이젠 진짜 공부하러 가야겠다~ [각주]1. 일정한 물리적 성질을 가지는 균일한 물질계. 고체, 액체, 기체가 대표적. 2. 2개 이상의 상이 공존하여 열역학적으로 평형을 이루는 상태. 3. 액체 분자가 최소한의 표면적을 유지하는 방향으로, 분자 내부로 끌어 당겨지는 힘을 표면에서 측정한 것. 그래서 표면장력이 큰 물체 위에 표면장력이 작은 물체가 놓이게 되었을 때, 표면장력이 큰 물체에 표면장력이 작은 물체가 흡수되기도 함. 4. 미세공이 잘 형성된 비정질 탄소로서, 표면에 존재하는 탄소 원자의 작용기가 주위 물질에 인력을 가하여 흡착하는 성질이 있음.[참고 자료]1. “초임계 유체 Supercritical fluid, SCF.” happy8earth.tistory.com. 2014년 5월 26일 수정, 2023년 9월 27일 접속, https://happy8earth.tistory.com/308.2. “[과학과 놀자] 디카페인 커피 일등공신은 이산화탄소.” 생글생글. 2023년 2월 13일 수정, 2023년 9월 27일 접속, https://sgsg.hankyung.com/article/2023021079731.3. 이윤우, “새로운 세계로의 여행: 임계점을 넘어서”, 서울대학교 [그림 출처]그림 1. Bhuyan, Satyam. 2023. “Carbon Dioxide (CO2) Phase Diagram.” Chemistry Learner. April 12. https://www.chemistrylearner.com/co2-phase-diagram.html.  

  [기계공학과가 본 카페] (글) 무은재학부 23학번 29기 알리미 박태준  

카페에 왔으니까 사진 찍고 SNS에 올려야지! 앗 추워서 손이 떨리네... 그런데도 방금 찍은 사진이 흔들리지 않는 이유는 뭘까? 그것은 바로 스마트폰에 탑재된 자이로 센서 때문이야!

자이로 센서를 알아보기 위해 먼저 코리올리 힘에 대해 알아보자! 코리올리 힘이란 전향력이라고 부르기도 하는데, 회전하는 좌표계 위의 운동하는 물체에 작용하는 가상의 힘이야. 회전하는 좌표계에서 물체를 직선 운동시키면 코리올리 힘이 나타나게 돼. 그림을 보면서 쉽게 이해해 볼까? 그림 1은 회전하는 원판과 중심에 동그란 공이 있고, 회전하는 원판 위에서 공을 관찰하는 상황이야. 공은 목표 방향으로 점선 화살표를 따라 운동했지만, 목표한 지점에 도달하지 않고 다른 곳으로 갔지? 이때 공이 휘어져 운동하는 것처럼 보이는데, 이런 현상이 발생하는 이유가 바로 물체의 운동 방향에 대해 수직으로 작용하는 코리올리 힘 때문이야!

스마트폰의 손 떨림 방지 기능에 중요한 역할을 하는 MEMS 자이로 센서에 이 코리올리 힘이 이용돼! MEMS 자이로 센서의 중심에는 작은 검출 질량(Resonating Mass)이 존재해. 그림 2를 보면 알 수 있듯이, 이 검출 질량이 특정 축을 중심으로 회전하게 되면 검출 질량의 운동 방향과 수직인 방향으로 코리올리 힘이 발생하겠지? 그러면 스마트폰이 회전함에 따라 발생하는 코리올리 힘으로 인해 스프링에 연결된 검출 질량이 진동하고, 스프링이 수축, 팽창하며 내부-외부 프레임 사이의 거리가 변화해. 프레임 사이에 전극이 탑재되어 있는데, 프레임 사이의 거리 변화에 따라 이 전극의 전기용량이 변해. 이를 감지하는 것으로 코리올리 힘을 검출하고, 스마트폰의 각속도를 얻을 수 있어. 각속도를 알게 되면, 스마트폰이 3차원 공간 속 얼마나 회전하고 움직이는지에 대한 정보를 얻게 되니 카메라의 위치를 조절하는 데 사용할 수 있는 거야. 즉, MEMS 자이로 센서는 미세 구조물의 진동을 검출해 물체의 회전 정도를 측정할 수 있는 진동식 자이로 센서인 거지. 저 조그만 장치가 스마트폰 사진의 비결이라니! 어때, 신기하지 않니? 그럼 나는 인생샷들 좀 마저 건지러 가봐야겠다~ [참고 자료]1. 김용훈, “물체의 방위 변화를 인지하는 ‘자이로 센서(Gyro sensor)’.” 「LG CNS 블로그」. 2016.05.13. https://www.lgcns.com/blog/it-trend/19957/.2. 권순각, 김흥준. “스마트폰 자이로센서를 이용한 시각장애인용 광학문자인식 방법.” 「한국산업정보학회논문지」 21, no.4 (2016): 16.[그림 출처]그림 1. “<특집: 최근의 코리올리식 유량계와 그 응용>코리올리식 유량계 최신 동향.”「EZ-JAPAN」. 2020.10.26. http://자동제어계측.kr/bbs/board.php?bo_table=101&wr_id=3912&sca=기획특집&page=6. 그림 2. Majid Dadafshar. “Accelerometer and Gyroscopes Sensors: Operation, Sensing, and Applications.” 「AEM」. 2014.05. https://www.autoelectronics.co.kr/article/articleView.asp?idx=1374.