과냉각 이라는 것이 있다고 합니다.

안녕하세요?

제가 과거에 생명과학 실험실에서 일을 할적에 가끔 -20℃ 에 넣었는 액체 시약이 여전히 액체 상태로 유지하고 있는데, 실험에 필요하다고 딱 하고 흔들면 급격하게 얼어붙는 현상이 목격되었습니다. 그때는 이게 왜 일어나는 지 전혀 몰랐는데, 지금 Newton 2018년 4월호를 보니 이 현상을 과냉각이라고 하는 것을 보았습니다.

일반적으로 물의 응고점은 0℃ 이기 때문에, 물이 이 이하로 차가워 질 수 없다고 생각을 할 수 있지만, 실제로는 영하의 온도 이하로 물이 차가워지는 것이 가능하다고 합니다. 즉 0℃ 이하인데도 액체 그대로인 상태의 물이 만들어 지는데, 그런 '액체인 상태'를 '과냉각'이라고 부른다고 합니다.

그리고 이런 과냉각 상태의 물은 충격을 가하자 마자 그대로 얼어 버리는 성질이 있다고 합니다. 이런 과정은 제가 실험실에서 본 그대로 인데, 우선 이러한 과냉각 상태의 물을 만들기 위해서는 패트병을 천으로 감싸서 냉기가 전해지기 어려우면서도 가능한 한 천천히 균일하게 차갑게 만드는 것이 핵심이라고 합니다.

이런 과냉각을 이해하려면, 먼저 물이 얼음으로 되기 위해서는 물 분자가 '정렬'되어야 할 필요가 있다고 합니다. 그런데 위 그림의 묘사와 같이, 물의 온도가 천천히 차갑게 된 것만으로는 물 분자의 운동이 느려지지만, 이것 만으로는 '정렬'하지 않는다고 합니다. 그래서 외부에서 충격을 줘야 아래의 그림과 같은 반응이 일어난다고 합니다.

즉, 과냉각 상태에서도 얼음이 없는게 아니라, 아주 극 미량의 작은 얼음 덩어리가 있습니다. 그런데 이것 만으로는 한번에 얼음을 만들 수 없고, 외부의 자극이 와서 완전히 '육각형'의 결정이 '강제로'만을어 지게 되면서 작은 '얼음 덩어리'가 생성이 되고, 이 얼음 덩어리를 바탕으로 일정한 '크기 이상인 핵'이 만들어 진다고 합니다.

그럼 어지간한 경우에는 냉동실에서 얼음이 잘 만들어 지는데, 이건 뭐냐고 하시면, 물속의 찌거기나 불순물, 용개벽의 돌기등이 작용을 해서 위에서 언급한 '핵'을 더 빨리 만들기 때문에 얼음이 잘 만들어 진다고 합니다. 이렇게 보면 제 경우도 다음과 같이 설명이 될 듯 합니다.

일단 실험실에서 사용한 물은 HPLC-water라고 해서 3차 증류수 보다도 더 깨끗하고 순수한 물을 사용하였고, 사용된 용기도 e-tube라고 해서 eppendorf tube를 사용해서 용기 내부에 그 어떠한 용출된 돌기도 없었습니다. 거기다가 은박지로 감싸서 냉기의 전달도 천천히 되었던 것을 생각하면, 이러한 조건들이 합쳐져서 종종 과냉각된 것이 아닐까 합니다.