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[지식더하기] 0도보다 훨씬 낮은 극저온에서 얼지 않는 물이 있다?

최종 수정일: 2020년 10월 16일

이제 점점 날씨가 더워지면서 얼음을 많이 사용하게 될 것입니다. 빙수, 음료수 등등 우리 생활 곳곳에서 얼음을 찾아볼 수 있는데요, 우리가 평소에 보는 얼음은 주로 아래 사진과 같은 모습을 하고 있을겁니다. 하지만 압력과 온도를 잘 조절하면 우리가 상상도 못한 정말 많은 종류의 얼음을 얻을 수 있습니다. 우리가 평소에 보는 얼음은 얼음 Ih를 가리키는 것이고, 온도와 압력을 바꾸면 비결정질 얼음, 얼음 Ic, 얼음 II, III, ... 등 약 20가지의 정말 많은 얼음들이 있습니다. 일부는 시뮬레이션으로 나오기도 하고, 외계 행성에 존재하는 경우도 있습니다.



얼음



물의 상평형도

이러한 많은 얼음이 있어서, 한 종류의 얼음이 되지 않게 하면 다른 얼음이 되어버리기 때문에 저온에서 물이 얼음이 되는 것은 불가피한 현상입니다. 그렇지만 최근 실험의 결과에 따르면, 거의 절대영도에 가까운 초저온에서도 물이 얼음 결정을 이루는 것을 막는 방법이 있다고 합니다.


물이 얼지 않게 하는 새로운 방법

과거에도 물을 얼지 않게 하려는 시도들은 많이 있었습니다. 간단한 방법으로는 소금물처럼 물에 다른 물질을 녹이면 물이 잘 얼지 않습니다. 그리고 순수한 물을 이용하는 방법은, 물의 과냉각 현상을 이용할 수 있습니다. 물은 얼 때 빙정이라고 하는 작은 얼음에서 시작해 그 주변의 물도 얼게 되는데, 이 빙정의 형성을 막으면 물이 얼지 않고 섭씨 0도 미만의 온도에서 있을 수 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션에 의하면, 물이 얼지 않고 과냉각으로 남아있을 수 있는 최저온은 영하 48.3도입니다. 실제로 작년에 나온 실험적인 최저온의 물은 영하 45도였습니다. 그러나 스위스의 ETH 취리히와 취리히 대학의 연구자들은 이보다 훨씬 낮은 온도에서 물을 액체상태로 보존할 수 있는 방법을 찾았습니다.


연구자들은 물을 지질을 기반으로 한 나노미터 단위의 초미세한 막속에 가둬 물을 절대영도보다 10도밖에 차이가 나지 않는 -263도까지 냉각시켰습니다. 물을 나노미터 단위의 아주 좁은 곳에 가두면 물 분자들이 얼음으로 정렬하는 것을 막을 수 있고, 결정이 생기지 않은 물의 상태로 둘 수 있다고 합니다.


물 분자들을 이렇게 가두기 위해서, 연구팀은 새로운 종류의 지질 분자를 만들어 lipidic mesophase라고 하는 새로운 물질을 만들어냈다고 합니다. 이 구조에서는 지방 분자들이 스스로 뭉쳐 직경이 1 나노미터가 안돼는 아주 좁은 채널들의 망을 만들어 냅니다.


lipid mesophase의 3차원 모형

물이 이 좁은 공간에 갇혀있기 때문에 물은 액체 상태로는 존재할 수 있지만, 공간이 워낙 좁아서 결정이 생길 수 없고, 액체 헬륨으로 이를 10 캘빈까지 내렸을 때도 얼음 결정이 생기지 않습니다. 이 구조는 지질 구조의 변형으로 소수성과 친수성 부분을 갖고 있어 아주 작은 물 분자를 가둘 수 있습니다.


물의 결정이 생기지 않지만 물의 온도가 워낙 낮아서 결정이 있는 얼음은 아니지만 고체에 가까운 유리 같은 상태라고 합니다. 그래서 이것은 물을 얼음 결정의 방해를 받지 않고 저온에서 연구하는 데에 도움이 될 수 있습니다.

 

필요한 피직스 2019 여름호


작성자: 19-107 김선우

분야: 열역학


참고문헌:

[1] 얼음-위키백과, 우리 모두의 백과 사전 https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%96%BC%EC%9D%8C

[2] Sciencealert-Scientists Have Found a Way To Prevent Water From Ever Becoming Ice https://www.sciencealert.com/scientists-have-figured-out-a-way-to-prevent-water-from-ever-freezing?perpetual=yes&limitstart=1

이미지:

[1] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Phase_diagram_of_water.svg

[2] http://image.koreatimes.com/article/2018/09/11/201809111734575b1.jpg

[3]https://www.sciencealert.com/images/2019-04/071-water-that-never-freezes-1.jpg


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