우리가 글을 쓸 때, 연필이나 샤프를 쓰면 글이 써진다. 우리가 너무 당연하게 사용하고 있어서 당연한 이야기 같지만, 갑자기 이게 왜 당연한 지에 대해 의문이 들었다. 어떤 원리로 우리가 글을 쓰고 있는걸까?
요즘 잘 쓰진 않지만 예전에 자주 썼던 연필심이나 샤프심은 주로 흑연을 사용해서 만든다.
흑연의 구조는 아래 그림과 같이 층상구조를 형성하고 있다. 이런 구조를 형성하는데에는 크게 공유결합과 반데르발스 힘이 주요 원인이다. 여기서 공유결합이란, 탄소와 탄소 사이의 전자를 공유하면서 결합하는 강한 결합을 말하고, 반데르발스 힘은 실제로 결합된 형태는 아니지만 근처에 있는 흑연 층상구조끼리의 약한 인력을 말한다.
좀 더 자세히 설명하면, 반데르발스 힘은 공유결합이나 이온의 전기적 상호작용이 아닌 분자간, 혹은 한 분자 내의 부분 간의 인력이나 척력을 말한다.
탄소는 총 4개까지 다른 원자와 결합할 수 있다. 탄소 원자의 구조가 아래 그림과 같이 생겼기 때문이다. 탄소의 외각에 있는 4개의 전자가 각각 다른 원자와 결합할 수 있다.
그런데 탄소가 층상구조로 되어있는 그림을 보면 3개의 결합만이 근처 탄소와 연결되어 있다는 것을 알 수 있다. 탄소의 구조를 생각해보면 4개의 결합이 있을 것 같지만 흑연은 그렇지 않다. 3개의 전자만이 주변에 있는 탄소들과 결합하고, 남은 하나의 전자는 육각형을 이루고 있는 탄소층 위에 존재한다. 그러면서 물리력을 받으면 쉽게 탄소 층이 반데르발스 에너지를 이겨내고 분리되게 한다.
이런 특성이 우리가 흑연이나 샤프심을 필기도구로 사용할 수 있는 이유다.