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과냉각

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과냉각(過冷却, 영어: supercooling, undercooling[1])은 액체나 기체의 온도를 고체가 되는 일 없이 어는점 아래로 낮추는 과정이나 상태를 가리킨다. 다시 말해, 상전이 온도 밑으로 내려가더라도 원래의 상을 유지하고 있는 상태이다.

순수 물은 273.15 K(0 °C, 32 °F)에서 얼지만 균질 핵생성(거의 224.8 K, 즉 −48.3 °C/−55 °F) 이하에 이르기까지 표준 압력에서 과냉각할 수 있다.[2][3] 그러나 106 K/s의 속도로 냉각되면 결정 핵생성을 피하게 되어 물은 유리 상태가 된다. 이 상태의 유리 전이 온도는 훨씬 더 차가워서 알아내기 쉽지 않지만 연구에 따르면 약 165 K(−108 °C/−162.4 °F)에 이른다.[4]

표준 어는점을 넘는 액체는 결정 구조가 형성되어 고체를 생성할 수 있는 핵이나 종자 결정이 있을 때 결정화된다. 그러한 핵이 없으면 액체상은 결정 균질 핵 생성이 일어나는 온도까지 유지될 수 있다.[5]

균일한 핵생성은 유리 전이 온도 이상에서 발생할 수 있지만, 해당 온도 이상에서 균일한 핵생성이 발생하지 않으면 비정질 (비결정) 고체가 형성된다.

물은 일반적으로 273.15 K (0.00 °C; 32.00 °F) 에서 언다. 그러나 표준 압력 에서는 거의 224.8 K (−48.3 °C; −55.0 °F) 의 결정 균질 핵 생성 까지 "과냉각"될 수 있다.[6][7]

과냉각의 상업적 응용 분야 중 하나는 냉동이다. 냉동고는 음료수를 과냉각 수준으로 냉각시켜[8] 개봉 시 슬러시를 형성할 수 있다. 또 다른 예로는 기존 냉동고에 있던 음료를 과냉각할 수 있는 제품이 있다.[9] 코카콜라 컴퍼니는 영국의 Sprite와 싱가포르의 Coke가 포함된 특수 자동 판매기 판매했다. 이 자동 판매기는 병을 과냉각 상태로 보관하여 개봉 시 내용물이 슬러시로 변하도록 했다.[10]

과냉각은 매사추세츠 종합병원/하버드 의과대학의 장기 보존에 성공적으로 적용되었다. 나중에 수용 동물에게 이식된 간은 과냉각을 통해 최대 4일 동안 보존되었으며, 이는 기존 간 보존 방법으로 달성할 수 있는 한계의 4배이다. 간은 −6 °C (21 °F) 의 온도로 과냉각되었다. 추운 온도로 인한 결빙 및 부상을 방지하는 해결책이다.[11]

각주

  1. ↑ Rathz, Tom. “Undercooling”. NASA. 2010년 1월 12일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2010년 1월 12일에 확인함. 
  2. ↑ moore, Emily; Valeria Molinero (24). “structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice”. 《Nature》 479: 506–508. doi:10.1038/nature10586. 24November2011에 확인함. 
  3. ↑ Debenedetti & Stanley 2003, 42쪽.
  4. ↑ Giovambattista 외. 2004, 047801-1쪽.
  5. ↑ “Water freezing almost instantaneously when shaking a bottle that spend the night outside during a frosty night”. 2021년 4월 7일. 2021년 4월 8일에 확인함. 
  6. ↑ Moore, Emily; Valeria Molinero (2011년 11월 24일). “structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice”. 《Nature》 479 (7374): 506–508. arXiv:1107.1622. Bibcode:2011Natur.479..506M. doi:10.1038/nature10586. PMID 22113691. 
  7. ↑ Debenedetti, P. G.; Stanley, H. E. (2003). “Supercooled and Glassy Water” (PDF). 《Physics Today》 56 (6): 40–46 [p. 42]. Bibcode:2003PhT....56f..40D. doi:10.1063/1.1595053. 
  8. ↑ Chill Chamber 보관됨 3월 1, 2009 - 웨이백 머신
  9. ↑ Slush-It! 보관됨 2010-01-23 - 웨이백 머신
  10. ↑ 《Wired》 (Condé Nast).  |제목=이(가) 없거나 비었음 (도움말)
  11. ↑ Berendsen, TA; Bruinsma, BG; Puts, CF; Saeidi, N; Usta, OB; Uygun, BE; Izamis, Maria-Louisa; Toner, Mehmet; Yarmush, Martin L (2014). “Supercooling enables long-term transplantation survival following 4 days of liver preservation”. 《Nature Medicine》 20 (7): 790–793. doi:10.1038/nm.3588. PMC 4141719. PMID 24973919. 

같이 보기

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