과냉각

과냉각은 ^[1]또한 ^[2]과냉각이라고도 알려져 있는데, 액체나 기체의 온도를 고체가 되지 않고 빙점 이하로 낮추는 과정이다.그것은 결정 구조가 형성될 수 있는 종자 결정이나 핵이 없을 때 이것을 달성한다.물의 과냉각은 화학적 탈염 이외의 특별한 기술 없이도 -48.3°C(-55°F)까지 가능합니다.과냉각된 물방울은 종종 층운과 적란운에 존재한다.이러한 구름을 비행하는 항공기는 이러한 물방울의 갑작스러운 결정화를 목격하고, 이로 인해 항공기의 날개에 얼음이 형성되거나 계기 및 탐침이 차단될 수 있습니다.

동물들은 극한의 온도에서 살아남기 위해 최후의 수단으로 과냉각 방식을 사용한다.얼음의 ^[3]성장을 막고 물 분자가 결합하는 것을 막기 위해 얼음 결정과 결합하는 부동 단백질의 생산과 같이 액체 상태를 유지하는 데 도움을 주는 많은 기술들이 있다.겨울 광어는 추운 환경에서 살아남기 위해 이러한 단백질을 이용하는 물고기 중 하나이다.식물에서는 리그닌, 수베린 및 큐티클과 같은 세포 장벽이 얼음 핵 생성자를 억제하고 물을 과냉각된 조직으로 강제합니다.

과냉각의 상업적 응용 중 하나는 냉장입니다.냉동고는 음료수를 과냉각 상태로 냉각시킬 수 있기 때문에 개봉 시 슬러시가 형성됩니다.Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School의 장기 보존에도 과냉각이 성공적으로 적용되었습니다.나중에 이식된 간은 96시간(4일) 과냉각으로 보존되어 기존의 간 보존법에 비해 4배 이상 증가했습니다.

설명.

표준 결빙점을 지나는 액체는 결정 구조가 형성되어 고체를 형성할 수 있는 종자 결정 또는 핵의 존재 하에서 결정화됩니다.그러한 핵이 없다면, 액상은 결정 균질 핵생성이 ^[4]일어나는 온도까지 유지될 수 있다.

균질핵생성은 유리 전이 온도 이상에서 발생할 수 있지만 균질핵생성이 이 온도 이상에서 발생하지 않으면 비정질(비결정) 고체가 형성됩니다.

물은 보통 273.15K(0°C 또는 32°F)에서 얼지만, 표준 압력에서 거의 224.8K(-48.3°C/-55°F)^[5][6]에서 결정 균질 핵 생성까지 "과냉각"될 수 있다.과냉각 프로세스에서는 물이 순수하고 핵생성 부위가 없어야 하며, 이는 역삼투나 화학적 탈염과 같은 과정을 통해 달성될 수 있지만, 냉각 자체는 특별한 기술이 필요하지 않습니다.물을 10K/s의 속도로⁶ 냉각하면 결정핵 형성을 피할 수 있고 물은 유리, 즉 비정질(비결정) 고체가 된다.유리 전이 온도는 훨씬 더 차갑고 측정하기 어렵지만 연구에 따르면 약 136K(-137°C/-215°^[7]F)로 추정됩니다.유리수는 핵생성 ^[6]없이 최대 150K(-123°C/-189.4°F)까지 가열할 수 있습니다.231K(-42°C/-43.6°F)와 150K(-123°C/-189.4°F) 사이의 온도 범위에서 실험에서는 결정 얼음만 발견됩니다.

과냉각된 물방울은 종종 층운과 적란운에 존재한다.이러한 구름을 비행하는 항공기는 항공기에 적절한 제빙 시스템을 갖추지 않으면 항공기 날개에 얼음이 형성되거나 계기 및 탐침이 막힐 수 있는 이러한 물방울의 갑작스러운 결정화를 목격한다.얼어붙은 비는 과냉각된 물방울에 의해서도 발생한다.

과냉각과 반대되는 프로세스, 즉 빙점 위의 고체가 녹는 과정은 훨씬 더 어려우며, 고체는 주어진 압력 동안 거의 항상 같은 온도에서 녹습니다.이 때문에, 통상, 녹는점 장치를 사용해 식별되는 것이 녹는점이며, 종이의 소재가 「동결점 결정」이라고 해도, 실제의 방법론은 「얼음의 ^[8]형성이 아닌 소실을 관찰하는 원리」이다.일정한 압력으로 액체를 가스가 되지 않고 끓는점 이상으로 과열시킬 수 있습니다.

과냉각은 빙점 강하와 혼동해서는 안 된다.과냉각은 액체가 응고점 이하로 굳지 않고 냉각하는 것이다.응고점 강하란 용질의 존재로 인해 용액이 해당 순수 액체의 응고점 이하로 냉각될 수 있는 경우를 말한다. 그 예로는 순수한 물에 소금을 첨가할 때 발생하는 응고점 강하가 있다.

체질 과냉각

응고 중에 발생하는 체질 과냉각은 구성 고형변화에 기인하며, 그 결과 액체가 고형-액체 계면보다 먼저 응고점 이하로 냉각된다.액체를 고화할 때는 계면이 불안정한 경우가 많고, 체질적인 과냉각 현상을 피하기 위해서는 고액 계면의 속도가 작아야 합니다.

구성 과냉각은 인터페이스(위치 x=0)의 액상 온도 기울기가 인가 온도 기울기보다 클 때 관찰된다.

$(\displaystyle\왼쪽).{\frac T_{L}{\partial x}\right _{x=0}>{\frac T}{\partial x}}$

이원상 다이어그램의 액상 기울기는 m ${\displaystyle =\mathrm{}{}_{}}$ T${\displaystyle {}_{}{L}_{}}$ /${\displaystyle \mathrm{}{}_{}}$ ${\displaystyle C_{}}$L { $display style$ m = \ $display$ tyle $T_${ L } / \ $partial C_${$L$} 로 나타나므로, 이원상 합금의 구성 과냉각 기준은 계면에서의 농도 구배를 기준으로 작성할 수 있습니다.

$(왼쪽 표시 스타일{{frac C_{L}}{\partial x}\right _{x=0}>{\frac {\partial x}}$

평면 인터페이스 앞의 농도 구배는 다음과 같습니다.

$(\displaystyle\왼쪽).{{frac C_{L}}{\partial x}\right _{x=0}=-(C^{LS}-C^{SL}){\frac {v}{D}}}$

$여기$서$$v {\$displaystyle$v$$}는 인터페이스 $,$ D {\$displaystyle$ D$}$는 확산 계수, C L ${\displaystyle S^{}}${\$displaystyle$ C$^{$$LS}}$ 및$$ $C{\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle S^{}}$ L$({$ C$^{SL})$은 각각 계면에서의 액체 및 고체의 조성물입니다(${\displaystyle {즉}^{}}$, ${\displaystyle C^{}}$ L ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {}^{}{}_{}{C}_{}}$ ${\displaystyle L}$ ( ${\displaystyle \mathrm{x}}$ ${\displaystyle =}$ 0$$) {$display$C^{$LS}=C_{L}(x=0)}$ 입니다.

평면 계면의 정상적 성장을 위해 고체의 조성은 공칭합금 $조성{\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle C^{}}$ S ${\displaystyle L^{}}$ $=$ ${\displaystyle {}_{}}$ (\$displaystyle$ C$^{SL$}= $C_{0$ 및 분할 계수 $k{\displaystyle }$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle S^{}}$L${\displaystyle {}^{}}$/ ${\displaystyle C^{}}$ ${\displaystyle L^{}}$ S (\$displaystyle$ K=$C^{SL}$C/{0$})$와 같다.$LS$ 는 일정하다고 가정할 수 있습니다.따라서 안정적인 고체 전면을 만들기 위해 필요한 최소 열 구배는 다음과 같습니다.

${\displaystyle {\frac T} {\partial x} = frac {mC_{0}(1-k)v} {kD} }$

자세한 내용은 의 제3장을 참조해 주십시오.

동물에서

특정 환경에서 극도의 저온에서 살아남기 위해, 일부 동물들은 그들이 얼지 않고 세포 손상과 죽음을 피할 수 있게 해주는 과냉각 현상을 이용한다.얼음의 ^[3]성장을 막고 물 분자가 결합하는 것을 막기 위해 얼음 결정과 결합하는 부동단백질, 즉 AFP의 생산과 같이 액체 상태를 유지하는 데 도움을 주는 많은 기술들이 있다.겨울 광어는 추운 환경에서 살아남기 위해 이러한 단백질을 이용하는 물고기 중 하나이다.비콜리거티브 단백질은 간에서 ^[10]혈류로 분비된다.다른 동물들은 체액의 용질 농도를 증가시켜 결빙점을 낮추는 응고 방지제를 사용한다.생존을 위해 과냉각에 의존하는 물고기들은 또한 수면 아래에서 살아야 한다. 왜냐하면 만약 그들이 얼음 핵과 접촉한다면 그들은 즉시 얼 것이기 때문이다.살아남기 위해 과냉각 과정을 거치는 동물들은 얼음을 유발하는 출발점 역할을 하기 때문에 그들의 몸에서 얼음 핵물질을 제거해야 한다.과냉각은 또한 몇몇 곤충, 파충류, 그리고 다른 외온동물 종에서 흔한 특징이다.감자낭종 선충(Globodera rostochiensis)은 낭종이 얼음에 싸여 있더라도 -38°C(-36°F)의 낮은 온도까지 과냉각 상태로 낭종 안에서 생존할 수 있다.

과냉각은 동물들에게 최후의 수단이다.가능하면 따뜻한 환경으로 이동하는 것이 가장 좋습니다.동물이 원래 빙점 아래로 점점 더 멀어질수록 내부 액체에 대한 자발적 동결 가능성은 급격히 증가하는데, 이는 열역학적으로 불안정한 상태이기 때문이다.유체는 결국 과냉각점에 ^[11]도달합니다. 과냉각된 용액이 정상 동결점보다 훨씬 낮기 때문에 자연적으로 동결되는 온도입니다.동물들은 의도치 않게 과냉각 상태를 겪게 되고 과냉각 상태가 되면 얼어버릴 확률만 줄일 수 있다.과냉각은 생존을 위해 필수적이지만, 그것과 관련된 많은 위험이 있다.

식물 내

식물은 또한 겨울 동안 발생하는 극한의 추운 환경에서도 살아남을 수 있다.북부 기후에 위치한 많은 식물 종은 과냉각에 의해 이러한 추운 조건에서 적응할 수 있으며, 따라서 이 식물들은 -40°C의 낮은 온도에서 생존한다.이 과냉각 현상은 잘 알려져 있지 않지만 적외선 서모그래피를 통해 인지되고 있다.얼음 핵생성은 특정 식물의 기관과 조직에서 일어나며, 목질 조직에서 시작하여 식물의 ^[12][13]나머지 부분으로 확산됩니다.적외선 서모그래피는 물방울이 세포외 ^[14]공간에서 결정화되면서 시각화할 수 있게 해준다.

과냉각은 얼음 핵 형성에 의해 조직 내 얼음 형성을 억제하고 세포들이 액체 상태로 물을 유지하도록 하며 세포 내 물이 세포 ^[14]외 얼음과 분리되도록 한다.리그닌, 수베린 및 큐티클과 같은 세포 장벽은 얼음 핵 생성자를 억제하고 물을 과냉각된 ^[15]조직으로 강제합니다.식물의 목질부와 일차 조직은 세포에 있는 물의 많은 비율 때문에 추운 온도에 매우 민감하다.북부 기후에 사는 많은 한대 경목 종들은 식물이 ^[16]추위를 견딜 수 있도록 새싹으로 얼음이 퍼지는 것을 막는 능력을 가지고 있습니다.과냉각은 상록수 관목인 Rhodendron perrugineum과 Baccinium vitis-idaea뿐만 아니라 Abies, Picea 및 Larix ^[16]종에서도 확인되었다.세포 외부와 세포벽 내부의 동결은 ^[17]식물의 생존에 영향을 주지 않습니다.그러나 세포외 얼음은 식물 ^[13]탈수를 초래할 수 있다.

바닷속

바닷물에 소금의 존재는 빙점에 영향을 미친다.그 때문에, 어는점 이하의 온도에서도 바닷물이 액체 상태를 유지할 수 있다.이러한 현상은 과냉각이 아니라 염분의 존재로 인한 응고점 감소의 결과이기 때문에 "의사 과냉각"입니다.이 상태는 남극 주변 바다에서 가장 흔하게 관찰되는데, 남극 주변에서는 고압에서 빙판 밑부분이 녹으면 액체가 녹는 물이 빙점 이하가 될 수 있다.핵생성 ^[18]부위의 부족으로 물이 즉시 다시 얼지 않는 것으로 추정된다.이는 장비에 얼음 결정이 쉽게 형성되어 잠재적으로 ^[19]데이터 품질에 영향을 미치기 때문에 해양학 계측에 대한 도전을 제공합니다.궁극적으로 극도로 차가운 바닷물의 존재는 해빙의 성장에 영향을 미칠 것이다.

적용들

과냉각의 상업적 응용 중 하나는 냉장입니다.냉동고는 음료수를 과냉각^[20] 상태로 냉각시킬 수 있기 때문에 개봉 시 슬러시가 형성됩니다.또 다른 예는 기존 ^[21]냉동고에서 음료를 과냉각할 수 있는 제품이다.코카콜라사는 영국에서는 사이다를, 싱가폴에서는 코카콜라를 넣은 특별한 자판기를 잠깐 판매했는데, 이 자판기는 병을 ^[22]개봉하자마자 내용물이 슬러시로 변하도록 과냉각 상태로 보관했다.

Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School의 장기 보존에 과냉각이 성공적으로 적용되었습니다.나중에 이식된 간은 96시간(4일) 과냉각으로 보존되어 기존의 간 보존법에 비해 4배 이상 증가했습니다.간이 -6°C의 온도로 과냉각되어 동파 및 ^[23]저온으로부터의 부상으로부터 보호되었습니다.

또 다른 잠재적 적용은 약물 전달이다.2015년에는 특정 시점에 막이 결정되었다.액체로 포장된 약물은 현장에 전달될 수 있으며, 약간의 환경 변화로 액체는 ^[24]약물을 방출하는 결정 형태로 빠르게 변화한다.

지난 2016년 아이오와 주립대 연구팀은 과열된 액체 금속의 캡슐화된 물방울을 이용해 열에 민감한 전자기기를 ^[25][26]수리하는 '열 없는 납땜' 방법을 제안했다.2019년에는 같은 팀이 극성(종이 및 젤로)에서 초소수성(장미 꽃잎)에 이르는 표면에 저냉각 금속을 사용하여 고체 금속 인터커넥트를 인쇄하는 것을 시연했습니다. 모든 표면이 ^[27][28]금속보다 낮은 계수입니다.

Eftekhari 등은 이온성 액정의 과냉각은 에너지 저장 애플리케이션의 확산을 위한 질서 있는 채널을 구축할 수 있다는 것을 설명하는 경험적 이론을 제안했다.이 때 전해질은 고체 전해질에 필적하는 강체 구조를 가지지만 액체 전해질만큼 확산계수가 클 수 있다.과냉각은 중간 점도를 증가시키지만 방향 채널을 열어 ^[29]확산시킵니다.

우주 비행 중

우주 비행 응용 프로그램에서는 이 용어가 다소 다르게 사용됩니다.여기서 이는 끓는점보다 훨씬 낮게 냉각되는 극저온 연료 또는 산화제를 말합니다(단,^[30] 녹는점보다 낮지는 않음).그 결과 연료 밀도가 높아지며, 따라서 중량을 늘리지 않고 연료 탱크의 용량이 커진다.동시에 기화 손실도 감소한다.

SpaceX의 Falcon 9 로켓은 산화제로 ^[31]과냉각 방식을 사용한다.

슈퍼쿨링이라는 용어는 이 기술에도 사용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 비정질 고체
• 펌프식 얼음 기술
• 과냉각
• 울트라콜드 원자
• 점액
• 얼어붙은 비

레퍼런스

추가 정보

• Giovambattista, N.; Angell, C. A.; Sciortino, F.; Stanley, H. E. (July 2004). "Glass-Transition Temperature of Water: A Simulation Study" (PDF). Physical Review Letters. 93 (4): 047801. arXiv:cond-mat/0403133. Bibcode:2004PhRvL..93d7801G. doi:10.1103/PhysRevLett.93.047801. PMID 15323794. S2CID 8311857.
• Rogerson, M. A.; Cardoso, S. S. S. (April 2004). "Solidification in heat packs: III. Metallic trigger". AIChE Journal. 49 (2): 522–529. doi:10.1002/aic.690490222. Archived from the original on 2012-12-09.

외부 링크

• 유튜브 과냉각수와 콜라
• 유튜브의 과냉각수
• 유튜브 초냉각수 2위
• 유튜브 과냉각수 핵형성 실험
• arxiv.org 과냉각 액체
• 과냉각에 관한 Radiolab 팟캐스트