[논문 리뷰] Some peculiarities of water freezing at small sub-zero temperatures

Alexei V. Finkelstein|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 31.

nanoparticles nucleation surface interactions참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 소수의 고체 온도에서 얼음 형성의 동역학을 조사하며, 균질 핵형성은 자연 환경인 호수나 생세포에서 매우 느리고 실질적으로 불가능하다는 것을 입증한다. 얼음 핵형성은 일반적으로 0°C 이하 몇 도에서만 발생하며, 공기 접촉이나 생물학적 표면 등 다양한 요소가 핵형성 시간을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

I consider the kinetics of water freezing and show that, at small sub-zero temperatures, (i) the time of ice nucleation within the bulk water environment is enormous and therefore cannot take place either in lakes of in living cells; (ii) that the ice nucleation needs some ice-binding surfaces to occur, but (iii) even this kind of ice nucleation can take place, as a rule, only at the temperatures that are a few degrees below 0oC. Further, I discuss factors that can drastically reduce the ice nucleation time at nearly-zero temperatures both in open reservoirs, where water contacts with air, and in cells, where there is no such contact.

연구 동기 및 목표

• 소수의 고체 온도에서 균질한 얼음 핵형성의 기본 동역학적 장벽을 이해한다.
• 호수나 생세포와 같은 자연계가 소수의 고체 온도에 있음에도 불구하고 얼지 않는 이유를 설명한다.
• 근처의 온도에서 얼음 형성 가능성을 높이는 표면의 역할을 규명한다.
• 개방된 수체와 세포 내 환경에서 얼음 형성 시간을 단축시키는 요인들을 분석한다.
• 실제 환경에서 실현 가능한 얼음 형성 온도 범위를 명확히 한다.

제안 방법

• 고전적 핵형성 이론을 사용하여 초냉각된 물에서 얼음 핵형성 동역학을 분석 모델링한다.
• 다양한 소수의 고체 온도에서 균질 핵형성이 발생하기까지 필요한 시간을 평가한다.
• 얼음 결합 표면을 포함한 이종 핵형성 메커니즘을 평가한다.
• 공기 노출된 수체(예: 호수)와 밀폐된 시스템(예: 세포) 간의 핵형성 시간을 비교한다.
• 표면 접촉 및 불순물과 같은 환경 요소를 핵형성 속도 계산에 통합한다.
• 열역학적 및 동역학적 파rameter를 사용하여 소수의 고체 온도 범위에서의 핵형성 시간 척도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 소수의 고체 온도에서 균질한 얼음 형성이 균질한 물에서 자발적으로 일어나지 않는가?
• RQ2 얼음 결합 표면은 어떤 역할을 하여 근처의 온도에서 핵형성을 가능하게 하는가?
• RQ3 자연계에서 이종 핵형성이 실현 가능한 온도 범위는 어느 정도인가?
• RQ4 공기 노출과 세포 내 고립은 얼음 형성 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 소수의 고체 온도에서 얼음 형성에 필요한 시간을 크게 줄일 수 있는 요인들은 무엇인가?

주요 결과

• 소수의 고체 온도(예: -1°C ~ -5°C)에서 균질한 얼음 핵형성은 천문학적 시간 척도를 가지며, 실질적으로 불가능하다.
• 호수나 생세포에서의 얼음 형성은 균질 메커니즘으로는 발생할 수 없으며, 극도로 긴 시간이 소요지기 때문이다.
• 이종 핵형성은 얼음 결합 표면이 존재할 경우에만 가능하며, 일반적으로 0°C 이하 몇 도 이내에서만 발생한다.
• 개방된 수체에서 공기-물 표면이 존재하면 고립된 균질한 물보다 얼음 핵형성 시간이 크게 감소한다.
• 공기 접촉이 없는 세포 내 환경에서도 적절한 얼음 결합 분자나 표면이 존재하면 핵형성이 가능하다.
• 본 연구는 근처의 온도에서 얼음 형성이 표면을 통한 메커니즘을 통해만 실현 가능하며, 자발적인 균질한 핵형성으로는 불가능하다는 것을 확인한다.