섬광동결

물리학과 화학에서 플래시 동결은 물체가 급속하게 얼어붙는 과정입니다.^[1] 이는 극저온 또는 -196°C(-320.8°F)의 액체 질소와 직접 접촉하여 수행됩니다. 일반적으로 식품 산업에서 사용됩니다.

플래시 동결은 대기 과학에서 매우 중요한데, 이 연구는 유입되는 태양 복사를 효과적으로 산란시키고 지구가 태양에 의해 과열되는 것을 방지하는 상부 대류권의 얼음 구름 형성을 위한 적절한 기후 모델에 필요하기 때문입니다.^[2]

이 과정은 고전적 핵 생성 이론과도 밀접한 관련이 있으며, 이는 관련 상황에서 많은 물질, 현상 및 이론을 이해하는 데 도움이 됩니다.

개요

물이 천천히 얼면 적은 핵생성 부위에서 결정이 자라나 결정이 점점 더 적어집니다. 이는 세포벽을 손상시키고 세포 탈수를 유발합니다. 물이 급속하게 얼면, 순간적인 동결과 같이 핵 생성 장소가 더 많아지고, 더 작은 결정이 더 많아집니다. 이로 인해 세포벽의 손상이 훨씬 적으며, 이는 동결 속도에 비례합니다. 이것이 플래시 냉동이 음식과 조직 보존에 좋은 이유입니다.^[3]

응용 및 기법

플래시 동결은 물체를 극도로 낮은 온도에 노출시켜 빠르게 동결시키는 과정입니다. 이 기술은 세포 구조의 손상을 최소화할 수 있기 때문에 식품 산업 및 생물학을 포함한 다양한 분야에서 사용됩니다.

플래시 동결 적용:

식품 산업: 플래시 냉동은 부패하기 쉬운 식품을 빠르게 동결하는 데 사용됩니다. 생성된 더 작은 얼음 결정은 세포막의 손상을 최소화하여 음식의 질감, 맛 및 영양 성분을 보존합니다.
생물학: 생물학에서도 큰 얼음 결정이 시료를 손상시키는 것을 방지하기 위해 플래시 냉동 기술이 사용됩니다.
가정용: 가정에서 드라이아이스나 액체질소를 사용하여 플래시 냉동을 할 수 있습니다. 이 방법은 음식의 질감과 맛을 보존하는 데 효과적입니다.

플래시 동결 기술: 급속 냉동은 음식에 극도로 낮은 온도를 빠르게 적용하여 몇 분 만에 효과적으로 냉동시키는 것을 포함합니다. 이 급속 냉각은 큰 얼음 결정이 형성되는 것을 방지하여 음식의 질감과 풍미를 유지하고 수분 손실을 최소화합니다.

드라이아이스나 액체질소와 같은 냉동제를 사용할 때는 직접 접촉하면 화상을 입을 수 있으므로 적절한 안전 예방 조치가 중요합니다.

정리하면, 플래시 냉동은 큰 얼음 결정 형성을 방지하고 수분 손실을 최소화하여 식품의 품질을 유지하는 식품 보존의 혁신적인 기술입니다. 냉동 식품 산업을 변화시켰고 다양한 분야에서 새로운 응용 분야를 계속해서 찾고 있습니다.

물이 얼는 방법

씨앗 결정화에 결함이 너무 적으면 물은 어는점 이하로 냉각되지만 물은 액체 상태로 유지되는 과냉각과 같은 현상이 있습니다. 따라서 물이 새로운 영하의 온도에 적응할 때까지 지연을 관찰할 수 있습니다.^[4] 과냉각된 액체 상태의 물은 영하 48도(섭씨 55도 이하)에서 얼음이 되어야 하는데, 이는 단지 극심한 추위 때문만이 아니라 물의 분자 구조가 물리적으로 변하여 사면체 모양을 만들기 때문이며, 각 물 분자는 4개의 다른 물 분자와 느슨하게 결합되어 있습니다.^[5] 이것은 액체에서 "중간 얼음"으로의 구조적 변화를 시사합니다.^[5] 과냉각수에서 얼음의 결정화는 일반적으로 핵생성이라고 불리는 과정에 의해 시작됩니다. 핵 생성 속도와 크기는 나노초와 나노미터 내에서 발생합니다.^[2]

지표 환경은 얼음과 눈의 형성에 결정적인 역할을 하지 않습니다.^[6] 드롭 내부의 밀도 변동으로 인해 중간 및 표면 영역을 포함하는 가능한 동결 영역이 발생합니다.^[7] 표면 또는 내부로부터의 동결은 무작위일 수 있습니다.^[7] 그러나 이상한 물의 세계에서는 이론적으로 -48°C(-54°F) 이하로 온도가 내려가면서 거의 모든 물이 결정질 얼음이나 비정질 물로 고체로 변해도 적은 양의 액체 물은 여전히 존재합니다. -48 °C(-54 °F) 이하에서는 얼음이 너무 빨리 결정화되어 남아 있는 액체의 특성을 측정할 수 없습니다.^[5] 동결 속도는 핵 생성 과정과 얼음 결정 크기에 직접적인 영향을 미칩니다. 과냉각된 액체는 핵 생성의 기회가 거의 없을 때 정상 빙점 이하의 액체 상태에 머물게 됩니다. 즉, 충분히 순수하고 용기가 충분히 매끄러운 경우입니다. 한번 휘저으면 빠르게 고체가 됩니다. 결빙의 마지막 단계에서 얼음 방울은 뾰족한 끝이 생기는데, 이는 대부분의 다른 액체에서는 관찰되지 않으며, 얼면서 물이 팽창하기 때문에 발생합니다.^[6] 액체가 완전히 얼어붙으면 날카로운 금속 피뢰침이 전하를 끌어들이는 것처럼 방울의 날카로운 끝이 공기 중의 수증기를 끌어들입니다.^[6] 수증기가 끝에 모이면서 작은 얼음 결정을 가진 나무가 자라기 시작합니다.^[6] 반대 효과는 오븐 속 감자 쐐기의 날카로운 가장자리에서 물 분자를 우선적으로 추출하는 것으로 나타났습니다.^[6]

미세한 물방울을 아주 빠르게 식히면 물 분자의 사면체가 모두 일렬로 늘어서 있지 않고 무정형인 유리(저밀도 비정질 얼음)를 형성합니다.^[5] 물의 구조 변화는 얼음이 형성되는 속도를 조절합니다.^[5] 물 얼음은 온도와 압력에 따라 물 분자가 수소 결합으로 서로 달라붙는 16가지 결정 형태를 가지고 있습니다.^[5] 물이 냉각되면 그 구조가 얼음의 구조에 가까워지기 때문에 밀도가 낮아지는 것이고, 이러한 결정 형태를 보여주는 증가된 결정화 속도에 반영되어야 합니다.^[5]

관련수량

플래시 동결에 대한 이해를 위해 다양한 관련 수량이 유용할 수 있습니다.

결정 성장 또는 핵 생성은 자기 조립을 통해 새로운 열역학적 상 또는 새로운 구조를 형성하는 것입니다. 핵 생성은 종종 시스템의 불순물에 매우 민감한 것으로 밝혀집니다. 0°C(32°F) 이하의 물에서 얼음이 형성되는 것과 같은 새로운 열역학적 단계의 핵 생성의 경우, 시스템이 시간에 따라 진화하지 않고 핵 생성이 한 단계에서 발생한다면 핵 생성이 발생하지 않을 확률은 지수 함수적 붕괴를 겪어야 합니다. 이는 과냉각된 작은 물방울에서 얼음의 핵 생성에서도 관찰할 수 있습니다.^[8] 지수의 붕괴 속도는 핵 생성 속도를 제공하며 다음과 같이 주어집니다.

$R\ =\ N_{S}Zj\exp \left({\frac {-\Delta G^{*}}{k_{B}T}}\right)$

어디에

$δ ∗$ {\ $displaystyle {\displaystyle$ \Delta G^{*}}는 핵 생성 장벽 상단의 핵의 자유 에너지 비용이며, kBT는 T를 절대 온도로 하는 열 에너지이며, kB는 볼츠만 상수입니다.
${\displaystyle N_{S}}$ ${\$ 은 ${\displaystyle N_{S}}$ (는) 핵 생성 사이트의 수입니다.
${\displaystyle j}$ ${\$ 는 ${\displaystyle j}$ 분자가 핵에 붙어 핵을 성장시키는 속도입니다.
${\displaystyle Z}$ ${\$ 는 ${\displaystyle Z}$ 젤도비치 인자 Z라고 합니다. 본질적으로 젤도비치 인자는 장벽의 꼭대기에 있는 핵이 용해되지 않고 새로운 상을 형성할 확률입니다.

고전적 핵 생성 이론은 이러한 속도와 온도와 같은 변수에 따라 어떻게 변하는지를 추정하기 위해 널리 사용되는 근사 이론입니다. 과포화 시 핵 생성에 필요한 시간이 매우 빠르게 감소한다고 정확하게 예측합니다.^[9]^[10]

핵생성은 균질 핵생성과 이종 핵생성으로 나눌 수 있습니다. 첫 번째는 균질한 핵 생성입니다. 왜냐하면 이것은 훨씬 간단하기 때문입니다. 고전적 핵생성 이론은 새로운 상의 미시적 핵에 대해 액적의 자유 에너지는 부피와 표면 항에 비례하는 부피 항의 합으로 기록될 수 있다고 가정합니다.

${\displaystyle \Delta G={\frac {4}{3}\pir^{3}\Delta g+4\pir^{2}\sigma$

첫 번째 항은 부피 항이며, 핵이 구형이라고 가정할 때, 이것은 반지름 ${\displaystyle r}$ $r$ 인 구의 부피입니다 ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \Delta g}$ δ g ${\displaystyle {\displaystyle \Deltag$ }는 열역학적 상핵형성 사이의 단위 부피당 자유 에너지의 차이입니다. 그리고 핵을 형성하는 단계입니다.

임계핵반경, ${\displaystyle r}$ $r$ 의 어떤 중간값에서 ${\displaystyle r}$ 자유에너지는 최대가 되고, 따라서 핵이 형성될 확률은 최소가 됩니다. 가장 확률이 낮은 핵이 발생합니다. 즉, 가장 높은 값의 ${\displaystyle \Delta G}$ δ G ${\displaystyle {\$ delta G}이(가) 발생합니다.

${\frac {dG}{dr}=0$

이것은 임계핵이라고 불리며 임계핵 반경에서 발생합니다.

${\displaystyle r^{*}=-{\frac {2\sigma }{\Deltag}}}$

이 임계 반지름보다 큰 핵에 새로운 분자가 추가되면 자유 에너지가 감소하므로 이러한 핵은 더 가능성이 높습니다.

이종 핵생성, 표면에 핵이 있는 핵생성은 동종 핵생성보다 훨씬 더 일반적입니다. 핵 생성 장벽 ${\displaystyle \Delta G^{*}}$ δ G ∗ {\ $displaystyle$ {\ $displaystyle$ \Delta G^{*}}는 표면에서 훨씬 낮기 때문에 이종 핵 생성은 일반적으로 균질 핵 생성보다 훨씬 빠릅니다. 핵 생성 장벽이 자유 에너지 ${\displaystyle \Delta G}$ δ G ${\displaystyle$ $displaystyle \Delta$ G}에서 양수 항에서 나왔기 때문인데, 이는 표면 항입니다. 따라서 결론적으로 액체의 중심이 아닌 표면에서 핵 생성 확률이 가장 높습니다.

라플라스 압력은 기체 영역과 액체 영역 사이의 곡면 내부와 외부 사이의 압력 차이입니다. 라플라스 압력은 다음과 같이 주어진 영-라플라스 방정식으로부터 결정됩니다.

$\Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)$ $P$ inside - P $\Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)$ $\Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)$ γ $\Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)$ ( $\Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)$ R 1 + 1 R $\Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)$ 2) ${\displaystyle \Delta$ P $\equiv P_{\text$ {inside}}- $P_$ {\ $text{outsi$ ({\ $frac {1$ }{R_ ${$ 1 $\Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)$ frac {1}{R_{2}}}\right)}.

where ${\displaystyle R_{1}}$ and ${\displaystyle R_{2}}$ are the principal radii of curvature and ${\displaystyle \gamma }$ (also denoted as ${\displaystyle \sigma }$ ) is the surface tension.

표면 장력은 힘 또는 에너지로 정의할 수 있습니다. 액체의 표면장력은 액체의 에너지 변화와 액체의 표면적 변화(에너지 변화로 이어진)의 비율입니다. 이는 γ = $\gamma ={\frac {W}{\Delta A}}$ W δ A {\ $displaystyle$ \gamma = ${\$ frac $\gamma ={\frac {W}{\Delta A}}$ {W}{\Delta A}}}로 정의할 수 있으며, 이 작업 W는 퍼텐셜 에너지로 해석됩니다.

참고문헌

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^ ^a ^b "Better understanding of water's freezing behavior at nanoscale". sciencedaily.com. Retrieved 2017-01-17.
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