물이 어는 방식에 대한 끊임없는 의문

요약

얼음을 만들 기 위해서는 "단지 섭씨 0도" 보다 더 많은 것들이 필요하다. 이런 예측하기 힘든 과정에는 굉장히 작은 수준의 구조 형성,랜덤적인 진동, 그리고 박테리아도 관여한다.

New simulations indicate that ice crystallization happens fastest — this slow-motion movie covers mere nanoseconds — when water is tuned to a critical point called the liquid-liquid transition.

본문

 우리는 초등학교에서 섭씨 0도에서 물이 언다는 것을 배웠지만 이는 거의 사실이 아니다. 구름에서는 섭씨 -40도 에서 과냉각된 작은 물방울이 발견되기도 하고, 2014년에 과학자들은 -46도까지 물을 냉각시켰다. 또한 집에서도 과냉각된 물을 만들 수 있다. 냉동고에 증류수가 담긴 병을 넣으면, 흔들기 전까지는 결정이 생기지 않을 가능성이 높다.

 

물이 어는 것은 마치 뒷마당의 나무 더미가 동시에 불에 타는 게 아닌것처럼 보통 0도에서 곧바로 일어나지는 않는다. 불이 붙기 위해서는 스파크가 필요하다. 그리고 얼음의 씨앗인 핵이라고 부는 것이 필요하다. 그리고 물은 스스로 핵 근처에 배열되어서 결정 구조를 만든다.

 

이 씨앗들의 생성을 핵생성이라고 부른다. 0도인 수순한 물에 대해서 핵생성은 매우 느리다 그래서 핵생성이 전혀 일어나지 않는다. 하지만 자연에서는 순수하지 않은 물이 행생성을 위한 표면을 제공하고, 이것이 어떤 온도에서 얼마나 빠르게 얼음이 생성되는지를 바꿀 수 있다.

 

그렇게 특별하지 않은 과정을 통해서도 얼음의 핵생성은 수수께끼다. 화학자들은 완벽하게 주어진 비순수성, 표면, 핵생성을 억제하거나 촉진하는 어떤 것의 효과를 예측할 수 없다. 하지만 그들은 문제를 깍아내고 있다. 그들은 정확하게 물의 움직임을 시뮬레이트할 수 있는 컴퓨터 모델을 만들고 있고, 최고의 얼음 제작자로 알려진 박테리아와 균을 통해서 만들어진 단백질이라는 단서들을 이용해서 자연을 들여다보고 있다.

 

얼음이 생성되는 과정을 이해하는 것은 학술적인 활동 그 이상이다. 물질의 작은 티끌들은 구름 속에서 얼음의 씨앗을 만든다, 그리고 이것은 눈과 비로써 지구에 내리는 강수 현상을 유도한다. 몇몇의 건조한 서쪽의 주들은 강수를 유도하기 위해 얼음을 이용한다. National Oceanic, Atmospheric Administration, Air Force 등의 정부 기관은 얼음 생성을 가뭄 해소와 전투 전략을 위해 실험 중이다. 몇몇 국가에서는 큰 우박의 성장을 막으면서 작은 물방울을 얼도록 도와주는 물질과 아이오딘화 은으로 구성된 구름을 우박비행기가 뿌린다. 

Konrad Meister, a biophysical chemist at Boise State University in Idaho, uses a video wall to explore the structure of ice-nucleating proteins.

 

아직 이해해야 할 것이 더 남았다. 물의 컴퓨터 시뮬테이터를 만든 Utah 대학의 물리 화학자인 valeria molinero는 "모두가 얼음이 형성된다는 것에 동의한다."라고 했다. "그 이후, 의문이 생겨난다."

 

얼리기  

 

0도의 특별한 점은 그 이하의 온도에서, 물이 엑체에서 얼음으로 바꾸는 것은 에너지와 관련된 지각을 만들어 낸다. 한계점 아래에서, 얼음의 크리스탈 구조는 물 분자 보다 더 적은 에너지를 가지고 있다. 어는 과정은 실제로 열을 방출한다. 이것이 고체화될 때, 열화상 카메라로 찍으면 얼음이 열을 방출하는 걸 볼 수 있는 이유이다.

 

우연적으로 비규칙적인 진동이 삼각형 모양의 물 분자 조각을 육각형의 구조로 배열할 때, 핵생성이 시작된다. 이 얼음 배아는 핵으로 자라나고, 얼기 시작할 것이다. 그렇지 않으면 그냥 분해될 것이다. 이는 배아의 성장을 막는 에너지 장벽이 존재하기 때문이다.''

 

Boise State 대학에서 생물학적 해동과 핵생성 물질에 대해 연구하는 생명화학자인 Konrad Meister이 이 핵생성의 장벽은 더운 날, 절벽에 있는 것과 같다고 말했다. 당신은 너무 덥다;차라리 물 속에 있는 것이 더 좋을 것이다. 하지만 너를 미는 바람이나 뛰라고 용기를 줄 친구들이 없으면 너의 공포는 너를 마비시키고, 절벽 위에서 이상적이지 않은 상태로 붙잡혀 있을 것이다. 

Snow guns used at ski resorts spray water into the air mixed with an ice-nucleating agent, often proteins from the bacterium  Pseudomonas syringae .

 얼음이 차가워 질 수록 에너지 장벽은 작아진다. 이것은 우연적인 분자의 움직임이 작은 얼음 배아 구조를 결정의 임계점으로 미는 것을 더 쉽게 한다. 얼음이 형성되고, 자라고, 더 낮은 에너지를 가지는 결정 구조가 안정적으로 존재한다.

 

핵생성 촉진

 

표면과 비순수성은 에너지 장벽을 엄청나게 낮출 수 있다, 그래서 얼음이 형성될 수 있는 온도를 높인다. "1970년대 후기부터, 중요한 표면의 측면에는 여러가지가 있다는 것은 알았다."라고 Pennsylvania State University에 대기 화학자인 Miriam Freedman가 말했다.

 

미시적인 구조 형성과 같이 적절한 구조로 이루어진 표면은 물 분자가 더 쉽게 결정으로 배열되도록 만든다. 연구자들은 핵생성에 더 좋거나 나쁜 표면을 만들 몇 가지 방법을 찾아냈다. 표면의 결정화 또는 구조적 질서가 중요하다. 그리고 얼음을 모방하는 화학적 구조들은 핵생성이 잘 되는 경향이 있다. 특정한 크기의 구멍들은 물 분자를 얼음이 잘 형성되는 방식으로 가둔다.

 

Meister과 Molinero는 자연 최고의 얼음 생성자인 박테리아와 균의 물과 상호작용해서 핵생성을 하는 단백질의 비밀을 파해치기 위해 함께 일을 해왔다. 많은 이러한 유기체가 식물 병원균이고, 이들의 핵생성 단백질이 숲을 파괴하도록 진화했다라는 것은 가능성이 있다.

Valeria Molinero, a physical chemist at the University of Utah, builds computer simulations of water to study ice nucleation.

 

최고의 핵 생성자는 -2도에서 물을 얼리는 단백질을 가지고 있는 Pseudomonas syringae라고 불리는 박테리아이다. "그것은 인공 눈을 만들기에 매우 좋다. 최소한 Utah나 대부분의 다른 U.S에서 눈을 만들기 위해 이 박테리아를 이용한다."라고 Meister가 말했다.

 

큰 단백질일 수록 더 효과적인 틀처럼 작용하기 때문에 눈을 더 잘 만드는 경향이 있다: 몇 층정도 높이의 비계를 가지고 고층건물을 지을려고 하는 걸 상상해보세요.

 

하지만 우리가 모두 알듯이, 과학자들은 여전히 놀란다. Meister, Molinero와 그들의 공동 저자들은 최근에 "큰 게 좋다 법칙"에 예외를 찾았다: 균 단백질은 작음에도 불구하고 핵생성을 잘한다. 그들은 크게 뭉침으로써 핵생성 집단을 만들어 문제를 해결한다.

 

얼음 예측하기

 

Molinero는 표면의 상호작용까지 고려해서 핵생성이 되는 과정을 포착할 수 있는 이론과 컴퓨터 모델을 개발한다. 2009년에 그녀는 그녀의 동료 Emily Moore 과 함께 물 분자를 하나의 정사면체 모양 원자로 여기는 간소화된 물의 모델에 대해 출판했다;놀랍게도, 이 단일 원자 물 모델의 컴퓨터 시뮬레이션은 정확하게 밀도와 같이 물의 거시적 특성을 유도할 수 있다. 

그리고 2011년에는 Molinero와 Moore가 물의 어는 점의 하한이 정해진 과냉각된 물의 특정한 구조적 변화를 정확히 찾아내기 위해 그 단일 원자 모델을 이용했다. 그 모델은 물이 -48.15도에 얼어야 한다고 예측했다.

 

더 최근에 5월에 출판된 Proceedings of the national Academy of Sciences에서 Molinero와 그녀의 동료들은 물의 온도와 압력이 더 촘촘하거나 덜 촘촘한 물의 상태 사이의 한 전환점로 맞춰질 때, 얼음 결정화가 더 빨리 발생한다는 것을 보였다. 3월에 그들은 American Chemical Society 회의에서 주어진 표면에 대해서 핵생성이 되는 온도를 예측할 수 있는 새로운 모델을 제시했다. 이 모델은 실험 데이터도 이용하고, 표면의 화학 물질부터 결함의 모양까지 많은 요인들을 고려한다.  

 

그것들의 크기와 형태에 의존해서 표면의 혹과 구멍이 물분자를 더 얼음 만들기 쉽거나 어려운 배열로 만들 수 있다. 그들의 모델의 일부분으로써, Molinero의 팀은 어떻게 혹과 구멍의 각도가 핵생성에 영향을 끼치는 지에 관한 공식을 만들고, 테스트했다. 공식을 이용하면 Molinero는 적절한 크기와 형태의 결함을 도입해서 더 좋은 핵생성 물질을 구상할 수 있을 것이라고 생각했다.그녀는 "너는 매우 좋지 않은 표면을 가지고 와서 그것을 엄청 뛰어난 것으로 만들 수 있다."라고 했다.

 

Molinero에 따르면, 구름의 움직임을 예측하기 위해 대기 과학자들이 사용하는 모델은 아직 핵 생성을 설명하지 않는다. 그리고 여전히 자연에서 구름의 모종을 심는 것에 대해 어느 입자가 가장 중요한 지는 불확실하다. 사하라 사막의 먼지처럼 광물 입자들은 대기에 풍부하고, 얼음의 핵을 만들 수 있다. 하지만 그들은 혼자 저 위에 있지 않는다.

 

"구름에서, 너는 이 박테리아들을 찾는다. 대부분은 얼음은 잘 만든다." Meister이 말했다. "이는 다시 질문을 만들어 낸다:무엇이 그것을 비로 바꿀까?" 

원문

https://www.quantamagazine.org/the-enduring-mystery-of-how-water-freezes-20240617/

The Enduring Mystery of How Water Freezes | Quanta Magazine