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배고픈 <어린이과학동아> 편집부원들이 배달 음식을 시켰습니다. 그런데 배달 물품 중에 빠진 것들이 있네요. 사이 좋은 편집부원들은 어떤 방식으로 해결했을까요? 

손을 씻거나 샤워를 하고 젖은 손으로 전자기기를 만지면 감전될 위험이 높아져요. 감전은 몸에 전류가 흘러 충격을 받는 거예요. 감전이 일어나려면 전기의 위치 에너지 차이인 전위차와 전류가 흐를 수 있는 닫힌 회로가 필요해요. 또 전하를 띤 입자인 전자나 이온이 전기장을 따라 이동하면 전류가 생기죠. 물이나 땀에는 이온이 들어 있어, 우리 손이 전류가 흐르기 쉬운 환경이 되도록 도와줘요.

그런데 순수한 물은 전기가 거의 통하지 않아요. 수소(H) 원자 2개와 산소(O) 원자 1개가 결합해 만든 물 분자(H₂O)로만 구성됐기 때문이에요. 수소와 헬륨 이외의 원자는 가장 바깥 궤도의 전자가 8개일 때 가장 안정합니다. 가장 바깥 궤도에 전자가 6개인 산소 원자는 두 수소 원자로부터 전자 1개씩을 가져와서 안정해져요. 이렇게 원자들이 서로 전자쌍을 나눠 가지며 결합하는 것이 공유 결합이에요. 만화에서 편집부원들이 서로 고추장을 내놓아서 비빔밥을 완성한 장면은 공유 결합과 비슷하죠. 

반면, 수돗물과 땀엔 염화 나트륨(NaCl)과 같은 이온 결합 물질이 들어 있어요. 염화 나트륨은 물에 녹아 나트륨 이온(Na⁺)과 염화(Cl⁻) 이온으로 존재해요. 이러한 이온 결합 물질은 전자를 잃은 양이온과 전자를 얻은 음이온이 서로를 끌어당기는 정전기적 인력으로 결합하는 것을 말해요. 나트륨 원자는 가장 바깥 궤도의 전자 1개를 염소 원자에 주어 양이온이 돼요. 염소는 이 전자를 받아 가장 바깥 궤도에 8개를 채우고 음이온이 되죠. 만화에서 편집부원들이 필요 없는 간장을 주고받는 모습은 전자를 주고받는 이온 결합과 비슷해요. 이온 결합 물질이 녹은 물은 전기가 잘 통해요. 이온들이 자유롭게 움직이다가 전기장을 따라 일정한 방향으로 이동할 수 있기 때문이죠.

  
젖은 손으로 전자기기를 만지면 전자기기와 몸 사이의 전위차로 인해 전기장이 작용해요. 손에 묻은 물 속 음이온은 전기장의 +극 방향, 양이온은 - 극 방향으로 이동하죠. 물과 손 사이 전위차에 의해 손에 묻은 이온뿐만 아니라 체액 속 이온들도 함께 움직이게 돼요. 우리가 사용하는 교류 전기는 +극과 -극이 초당 수십 번 바뀌기 때문에 이온들은 방향을 바꾸며 앞뒤로 움직이죠. 이렇게 해서 몸에 전류가 흐르면 감전이 되는 거예요. 

이온 결합

나트륨 원자의 전자 1개가 염소 원자로 옮겨가 각각 나트륨 이온(Na⁺)과 염화(Cl⁻) 이온이 된다. 
두 이온이 결합해 염화 나트륨이 만들어진다.

공유 결합

산소(O) 원자가 수소(H) 원자 2개와 전자 1개씩 공유하며 결합해 물(H₂O)을 만든다.

젖은 손이 감전 되는 과정

1.손에 수돗물과 땀 등이 묻는다.

2. 수돗물과 땀 속에선 여러 가지 이온결합 물질이 양이온과 음이온으로 존재하며 자유롭게 이동하고 있다.

3. 젖은 손으로 전자기기를 만진다.

4. 전자기기와 손 사이에 형성된 전기장에 따라 물 속 양이온과 음이온이 일정한 방향으로 움직인다. 물과 손 사이 생긴 전위차에 의해  우리 몸의 체액 속 양이온과 음이온도 일정한 방향으로 움직이게 되어 전류가 흐른다.

5. 감전이 된다.

근육이 손상되면 근육 조직에서 활성산소가 생겨납니다. 활성산소는 세균이나 손상된 세포를 없애는 데 도움을 주지만, 너무 많으면 근육 재생을 방해하고 염증을 만들기도 해요. 7월 1일, 국립한국교통대학교 등 공동 연구팀은 활성산소를 효과적으로 없애고 근육 재생을 돕는 하이드로겔을 개발했다고 밝혔어요. 

 하이드로겔은 그물처럼 얽힌 고분자 사이에 물이 들어 있는 젤리 같은 물질이에요. 수분이 많은 피부나 근육 등에 잘 달라붙어서 약물 등을 넣어 치료제로 활용하기도 해요. 연구팀이 개발한 하이드로겔에는 망가니즈(Mn)와 산소(O)가 결합해서 만든 이산화망가니즈(MnO₂) 입자가 들어 있어요. 이 하이드로겔을 손상된 근육에 주사로 넣으면, 이산화망가니즈 속의 망가니즈 원자가 근육 속의 활성산소와 만나면서 망가니즈 이온(Mn²⁺)이 만들어집니다. 이 과정에서 활성산소는 물(H₂O)과 산소(O₂)로 분해되어 사라져요.

이렇게 만들어진 망가니즈 이온은 + 전하를 가진 양이온이에요. 이 이온은 하이드로겔의 고분자 속에 있는 이온들과 이온 결합을 하게 됩니다. 이온 결합을 할 때, + 전하를 띤 양이온과 - 전하를 띤 음이온은 서로 반대 전하가 끌어당기는 정전기적인 힘에 의해 결합해요. 하이드로겔의 고분자 속엔 하이드록실기(-OH) 등 음전하를 띤 이온들이 있어서, 망가니즈 이온과 전기적인 결합을 하게 되지요. 

기존의 하이드로겔은 젤 상태가 잘 유지되지 않는다는 단점이 있었어요. 연구팀이 개발한 하이드로겔에선 망가니즈 이온과 고분자가 이온 결합으로 연결되면서 하이드로겔의 젤 상태를 오래 유지시켜 줍니다. 따라서 안정적으로 근육 재생을 도울 수 있지요.  

연구팀은 실험용 쥐의 손상된 근육에 하이드로겔을 주입한 뒤, 5일 후 근육이 재생된 정도를 관찰했어요. 그 결과, 연구팀이 개발한 하이드로겔을 주입한 쥐는 아무것도 주입하지 않은 쥐보다 근섬유의 면적이 더 크고 고르게 재생된 것을 확인했어요. 연구팀은 “앞으로 이 하이드로겔은 근육 재생에 사용할 수 있는 좋은 생체 재료가 될 것”이라고 전했어요. 

하이드로겔을 주사한 쥐의 근육이 재생되는 과정

자료: 국립한국교통대학교

1. 손상된 근육의 조직에서 활성산소가 발생한다.

2. 손상된 근육에 이산화망가니즈 입자가 든 하이드로겔을 넣는다.

3. 활성산소가 없어지며 근육 재생이 빨라진다.

하이드로겔은 수분이 많고 인체에 잘 밀착돼 화장품과 약품 등에 쓰인다.