급속 냉동

thumb|얼어붙은 연못의 얼음 결정. 물이 천천히 냉각되면 결정이 형성된다. 급속 냉동은 결정 형성을 줄여준다.

물리학과 화학에서 급속 냉동()은 물체를 극저온으로 만들거나 의 액체 질소와 직접 접촉시켜 물체를 빠르게 얼리는 과정이다.

이 과정은 고전적인 핵 생성 이론과 밀접한 관련이 있다. 물이 천천히 얼면 결정 핵이 적은 곳에서 결정이 성장하여 더 적고 큰 빙정이 생성된다. 이는 세포벽을 손상시키고 세포의 탈수를 유발한다. 급속 냉동과 같이 물이 빠르게 얼면 핵 생성 부위가 많아지고 더 작고 많은 결정이 생긴다. 이로 인해 세포벽 손상이 냉동 속도에 비례하여 훨씬 적다. 이것이 급속 냉동이 식품 및 조직 보존에 좋은 이유이다.

급속 냉동은 일반적으로 식품산업에 적용되며 대기과학 분야에서 연구되고 있다.

 냉동의 영향 
표면 환경은 얼음과 눈의 형성에 결정적인 역할을 하지 않는다. 물방울 내 밀도 변동은 내부와 표면 모두를 덮는 가능한 동결 영역을 초래한다 즉, 표면에서 얼거나 내부에서 어는 것은 무작위일 수 있다.

과냉각과 같은 현상이 있는데, 이는 물이 빙점 이하로 냉각되지만 결정화를 시작할 결함이 너무 적으면 액체 상태를 유지하는 것이다. 따라서 물이 새로운 빙점 이하의 온도에 적응할 때까지 지연을 관찰할 수 있다. 과냉각된 액체 물은 단순히 극심한 추위 때문이 아니라 물의 분자 구조가 물리적으로 변하여 각 물 분자가 다른 네 분자와 느슨하게 결합된 사면체 모양을 형성하기 때문에 에서 얼음이 되어야 한다. 이는 액체에서 "중간 얼음"으로의 구조적 변화를 시사한다. 과냉각된 물에서 얼음이 결정화되는 것은 일반적으로 핵 생성이라는 과정에 의해 시작된다. 핵 생성의 속도와 크기는 나노초와 나노미터 범위 내에서 발생한다.

물이 얼면서, 심지어 온도가 이하로 내려가 거의 모든 물이 결정 얼음 또는 비정질 물로 고체화되었을 때도 미량의 액체 물이 이론적으로 존재한다. 그러나 이 남아있는 액체 물은 그 특성을 감지하거나 측정하기에는 너무 빨리 결정화된다. 동결 속도는 핵 생성 과정과 얼음 결정 크기에 직접적인 영향을 미친다. 과냉각된 액체는 핵 생성 기회가 거의 없을 때, 즉 충분히 순수하고 충분히 매끄러운 용기에 있을 때 정상 빙점 이하에서 액체 상태를 유지한다. 교반되면 빠르게 고체가 된다.

동결의 마지막 단계에서 얼음 방울은 뾰족한 끝을 만드는데, 이는 다른 대부분의 액체에서는 관찰되지 않으며, 물이 얼면서 팽창하기 때문에 발생한다. 액체가 완전히 얼면 방울의 뾰족한 끝이 공기 중의 수증기를 끌어당기는데, 이는 날카로운 금속 피뢰침이 전하를 끌어당기는 것과 매우 유사하다. 수증기는 끝에 모이고 작은 얼음 결정 나무가 자라기 시작한다. 오븐에서 감자 웨지의 날카로운 가장자리에서 물 분자를 우선적으로 추출하는 반대 효과도 나타났다.

만약 미시적인 물방울이 매우 빠르게 냉각되면, 유리(즉, 저밀도 비정질 얼음)를 형성하는데, 이 비정질 얼음에서는 모든 사면체 물 분자들이 정렬되지 않고 비정질 상태이다. 물의 구조 변화는 얼음이 형성되는 속도를 제어한다. 온도와 압력에 따라 얼음은 물 분자들이 수소 결합으로 서로 달라붙는 16가지의 다른 결정형을 가진다.

 개념 
 핵 생성 

결정 성장 또는 핵 생성은 자가 조립을 통해 새로운 열역학적 상 또는 새로운 구조를 형성하는 것이다. 핵 생성은 종종 시스템의 불순물에 매우 민감한 것으로 밝혀진다. 예를 들어, 이하의 물에서 얼음이 형성되는 것과 같은 새로운 열역학적 상의 핵 생성을 위해, 시스템이 시간과 함께 진화하지 않고 핵 생성이 한 단계에서 발생한다면, 핵 생성이 발생하지 않았을 확률은 지수적 감쇠를 겪어야 한다. 이는 과냉각된 작은 물방울에서 얼음의 핵 생성에서도 관찰될 수 있다. 지수 함수의 감쇠율은 핵 생성 속도를 나타내며 다음과 같이 주어진다.

여기서
 는 핵 생성 부위의 수
 는 장벽의 정상에 있는 핵이 새로운 상을 형성하고 용해되지 않을 확률(젤도비치 인자라고 함)
 는 분자가 핵에 부착되어 핵이 성장하는 속도
 는 핵 생성 장벽의 정상에 있는 핵의 자유 에너지 비용
 는 열에너지이며, 여기서 는 절대 온도이고 는 볼츠만 상수이다.
thumb|에너지 장벽의 차이. 균일 핵 생성(파란색)은 rc에서 불균일 핵 생성(빨간색)보다 더 높은 핵 생성 장벽 을 가진다.|255x255px
고전 핵 생성 이론은 이러한 속도와 온도를 포함한 변수에 따라 어떻게 달라지는지를 추정하기 위해 널리 사용되는 근사 이론이다. 이 이론은 과포화될 때 핵 생성에 필요한 시간이 매우 빠르게 감소한다는 것을 정확하게 예측한다.

핵 생성은 균일 핵 생성과 불균일 핵 생성으로 나눌 수 있다. 균일 핵 생성은 더 드물지만 더 간단한 경우이다. 균일 핵 생성에서 고전 핵 생성 이론은 새로운 상의 미시적 구형 핵에 대해 자유 에너지 변화 가 핵 크기의 함수이며, 핵의 부피와 표면적에 비례하는 항의 합으로 쓸 수 있다고 가정한다.

첫 번째 항은 부피를 나타내며 (구형 핵을 가정할 때) 반지름 인 구의 부피이다. 여기서 는 핵 생성이 일어나는 열역학적 상과 핵이 형성되는 상 사이의 단위 부피당 자유 에너지 차이이다. 두 번째 항은 표면적을 나타내며, 다시 구를 가정할 때 는 표면장력이다.

의 일부 중간 값에서 자유 에너지 는 최댓값을 통과하므로 핵 형성 확률은 최솟값을 통과한다. 이는 일 때 발생한다. 이 점 은 임계 핵이라고 불리며 핵 생성 장벽을 나타낸다. 이는 임계 반지름에서 발생한다.

이 임계 반지름보다 큰 핵에 새로운 분자가 추가되면 자유 에너지가 감소하므로 이러한 핵이 형성될 확률이 더 높다.

불균일 핵 생성은 표면이나 불순물에서 발생한다. 이 경우 핵 경계의 일부는 핵이 형성되는 표면이나 불순물에 의해 수용된다. 이는 의 표면적 항을 감소시키고, 따라서 핵 생성 장벽 을 낮춘다. 이 낮아진 장벽 때문에 불균일 핵 생성이 균일 핵 생성보다 훨씬 더 흔하고 빠르다.

 라플라스 압력 

라플라스 압력은 기체 영역과 액체 영역 사이의 곡면의 내부와 외부 사이의 압력 차이이다. 라플라스 압력은 영-라플라스 방정식으로 다음과 같이 정의된다.

여기서 과 는 주요 곡률반지름이고 (또는 )는 표면장력이다.

표면장력은 힘 또는 에너지로 정의할 수 있다. 액체의 표면장력은 액체 에너지의 변화와 액체 표면적 변화 (이는 에너지 변화로 이어진다)의 비율이다. 로 정의할 수 있다. 이 일 는 위치 에너지로 해석된다.

 응용 및 기술 
thumb|저온보존에 사용되는 급속 냉동

급속 냉동은 식품산업에서 변질되기 쉬운 식품 품목을 빠르게 냉동하는 데 사용된다 (냉동식품 참조). 이 경우 식품 품목은 물의 빙점보다 훨씬 낮은 온도에 노출된다. 따라서 더 작은 얼음 결정이 형성되어 세포막에 대한 손상이 적다. 미국의 발명가 클래런스 버즈아이는 20세기에 극저온 공정을 사용하여 식품 저장을 위한 "급속 냉동" 공정을 개발했다. 실제로는 비용 때문에 일반적으로 기계적 냉동 공정이 사용된다. 얼음 결정 크기를 최소화하기 위해 기계적 냉동의 냉동 속도를 지속적으로 최적화해 왔다.

급속 냉동 기술은 또한 생물학적 샘플을 빠르게 냉동하여 큰 얼음 결정이 형성되어 샘플을 손상시키는 것을 방지하는 데 사용된다. 이는 샘플을 액체 질소 또는 드라이아이스와 에탄올 혼합물에 담가서 수행된다.

급속 냉동은 대기과학에서 매우 중요하며, 이는 상부 대류권에서 얼음구름 형성에 대한 적절한 기후 모형을 위한 연구가 필요하기 때문이다. 얼음구름은 유입되는 태양 복사를 효과적으로 산란시켜 지구가 태양에 의해 과열되는 것을 방지한다. 그 결과는 기후 제어 연구에 중요한 영향을 미친다. 현재 논쟁 중 하나는 얼음 형성이 구름에 부유하는 마이크로미터 크기 물방울의 표면 근처에서 발생하는지 또는 내부에서 발생하는지이다. 만약 전자라면, 물의 표면장력을 조절하여 얼음 결정화 속도를 제어할 수 있는 효과적인 공학적 접근 방식이 존재할 수 있다.

 같이 보기 
 

 각주 

분류:식품 보존
분류:추위
분류:상전이