기초과학

물 결빙의 임계 빙정핵 실험 입증

발행일 : 2019 / 12 / 20

중국과학원 화학연구소와 중국과기대학교 공동 연구팀은 최초로 물이 결빙하는 과정에 임계 빙정핵이 존재한다는 것을 실험적으로 증명하였고 임계 빙정핵의 존재를 입증함과 아울러 임계 빙핵정의 크기와 과냉각 온도의 관계를 제시했다. 해당 결론은 고전 핵생성 이론 예측과 고도로 일치했다. 해당 성과는 “Nature”에 게재되었다.

열역학에 따르면, 물 분자는 용액에서 지속적인 열운동을 진행하며 온도가 빙점보다 낮을 경우, 질서있게 배열되는 경향이 있다. 하지만 “물”과 “빙정핵” 사이의 전환에 대해서는 밝혀진 바가 없다.

임계 빙정핵은 오랜 시간을 기다려야 발생하는 우연성, 수명의 나노초급 순간성 및 나노급 사이즈의 미시성을 보유하기에 기존의 미시적 관측 기술로 포착이 어렵다.

연구팀은 독창적으로 산화그래핀 나노시트 등 일련의 고정 크기의 나노입자를 이용하여 임계 빙정핵을 탐지하고 실험과 이론을 결합한 계산을 통해 간결하고 뚜렷한 임계 빙정핵 사이즈를 획득했다. 해당 연구 결과는 이론적 계산 결과와 고도로 일치했고 나노입자 종류, 재질 등 요소와 무관하게 보편성을 보유하여 얼음 임계핵의 존재를 증명하였을 뿐만 아니라 기타 상변화와 핵생성 연구에도 적용 가능하다.

나노입자 사이즈와 빙정핵 형성 능력을 연구한 결과, 나노입자의 사이즈가 특수 값보다 클 경우, 입계 빙정핵의 형성을 효과적으로 추진하며 사이즈가 작은 나노입자는 빙정핵 형성을 거의 촉진하지 못한다.

해당 연구 성과는 기존의 “고전 핵생성 이론”이 원자 사이즈의 임계 빙정핵 특징을 효과적으로 해명하지 못한 단점을 보완하고 물 결정 메커니즘, 상변화 현상 및 통계물리학의 거시적 및 미시적 관계에 대한 이론적 이해를 심화했다. 아울러, 세포와 조직의 저온 동결보존, 백신의 생산과 운송 과정에서의 활성 유지 및 항공기 등 교통 도구의 결빙방지 코팅 등에서 중요한 응용 가치가 있다.

해당 연구는 실험을 통해 임계 빙정핵의 존재를 직접적으로 입증했고 임계 빙정핵을 형성하는데 필요한 물 분자 수량을 밝혔다. 또한, 나노입자 사이즈와 핵생성 온도의 상호 관계를 밝히고 임계 빙정핵을 탐측하는 보편적인 방법을 발견했다. 이는 빙정핵 분야 연구의 중요한 이정표이다.

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