톡! 하는 순간 물이 얼어버린다?! 충격 한 번에 벌어지는 ‘과냉각’의 비밀

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험의 연속이죠.

「만약 눈앞에 있는 액체가 순식간에 마법처럼 얼어붙는다면 어떨까요?」

마치 시간이 멈춘 듯 투명한 물이 손가락 끝 하나로 순식간에 결정으로 변하는 놀라운 광경, 보신 적 있나요? 우리 과학부에서 도전한 실험은 바로 이 극적인 현상인 과냉각 실험입니다.

영하 10도 아래로 내려가도 얼지 않고 액체 상태를 유지하는 신기한 물. 그러다 아주 작은 자극 하나에 한꺼번에 얼어붙는 순간은 몇 번을 봐도 소름이 돋을 정도로 드라마틱합니다. 수많은 시행착오 끝에 찾아낸 비장의 레시피는 놀랍게도 편의점에서 쉽게 살 수 있는 탄산수를 사용하는 방법이었어요. 성공했을 때의 그 짜릿한 감동을 여러분도 꼭 느껴보셨으면 하는 마음으로, 그 노하우를 자세히 공개합니다!

과학부가 찾아낸 ‘순간냉동’ 준비법
과냉각을 성공시키기 위한 핵심은 철저한 온도 관리와 정적에 있습니다. 우선 다음 순서대로 실험 환경을 만들어보세요.

얼음을 봉지에 넣어 잘게 부순 뒤, 단열성이 좋은 스티로폼 박스에 가득 채웁니다.

얼음에 소금을 듬뿍 넣고 약간의 물을 더해 섞어줍니다. 소금은 얼음의 녹는점을 낮추는 역할을 하는데, 이를 통해 온도를 약 영하 15도까지 떨어뜨릴 수 있습니다(어는점 내림 현상).

탄산수 페트병을 흔들리지 않게 아주 조심스럽게 얼음물 속에 넣습니다.

그 상태로 가만히 25분간 기다립니다. (30분이 지나면 완전히 얼어버릴 수 있기 때문에, 이 25분이라는 시간이 아주 절묘한 황금 시간대입니다.) 이 기다림의 시간 동안 물 분자들은 얼어야 할 타이밍을 놓치고 액체인 채로 계속 차가워지는 과냉각 상태가 됩니다. 시간이 다 되면 숨을 죽이고 조심스럽게 꺼내서 뚜껑을 살짝 비틀어보세요. 그러면 어떻게 될까요?

왜 뚜껑을 열자마자 바로 얼어버릴까?
뚜껑을 여는 순간, 페트병 안에 하얀 얼음 기둥이 순식간에 타고 내려가는 것을 보셨나요? 사실 과냉각 상태의 물은 얼고 싶어도 얼 수 있는 계기가 없어서 못 얼고 있는 아주 불안정하고 섬세한 균형 상태에 있습니다. 일반 생수로도 가능하지만 굳이 탄산수를 쓰는 데는 특별한 이유가 있어요. 뚜껑을 여는 순간 이산화탄소 거품이 힘차게 뿜어져 나오면서 물 분자에 강력한 충격을 주기 때문입니다. 이 미세한 자극이 방아쇠가 되어 도미노처럼 한꺼번에 결정화가 시작되는 것이죠.

얼음을 차갑게 만드는 소금의 정체는?
실험 준비 과정에서 얼음에 소금을 섞었죠? 왜 설탕이 아니라 소금일까요? 여기에는 재미있는 과학적 원리가 숨어 있습니다. 얼음이 녹아 물이 될 때는 주변의 열을 흡수하는데, 이를 융해열이라고 합니다. 여기에 소금을 더하면 어는점 내림 현상이 일어나면서 얼음이 엄청난 속도로 녹기 시작해요. 억지로 녹으면서 주변의 열을 대량으로 뺏어가기 때문에 온도가 급격히 낮아지는 것입니다. 소금과 얼음을 1:3 비율로 섞으면 이론적으로는 무려 영하 21도까지 내려갑니다! 가정용 냉동실에 버금가는 추위인 셈이죠.

왜 설탕은 안 될까? 입자의 비밀
설탕으로도 똑같이 할 수 있지 않을까 생각할 수 있지만, 설탕은 소금만큼의 힘이 없습니다. 그 이유는 물에 녹았을 때의 입자 수 때문입니다. 소금(염화나트륨)은 물에 녹으면 나트륨 이온과 염화 이온이라는 두 개의 입자로 나뉩니다(전리). 반면 설탕은 분자가 뿔뿔이 흩어질 뿐, 여전히 하나의 입자 상태를 유지하죠. 같은 양을 녹여도 소금이 얼음의 결합을 방해하는 입자 수가 더 많기 때문에 훨씬 강력하게 온도를 낮출 수 있는 것입니다.

겨울 배추가 달콤해지는 얼지 않기 위한 지혜
물에 무언가가 녹으면 잘 얼지 않게 된다는 이 원리는 사실 우리 식탁 위에도 숨어 있습니다. 겨울 배추가 왜 유독 달콤한지 아시나요?

배추 같은 식물에게 세포 속 수분이 어는 것은 곧 죽음을 의미합니다. 얼음 결정이 세포벽을 뚫고 파괴해버리기 때문이죠. 그래서 배추는 추위를 느끼면 비축해두었던 녹말을 당분으로 바꿔 세포액에 녹여냅니다. 스스로를 진한 설탕물 같은 상태로 만들어 영하의 기온에서도 얼지 않도록 몸을 보호하는 것이죠. 우리가 느끼는 겨울 채소의 단맛은 사실 식물이 얼어 죽지 않기 위해 필사적으로 만들어낸 생존의 맛이었던 셈입니다.

실패 또한 과학으로 가는 초대장
처음에 말씀드린 것처럼, 우리 과학부도 수없이 실패했습니다. 아주 작은 진동이나 주변 기온의 미세한 변화만으로도 물은 허무하게 얼어버리곤 하죠. 하지만 실패했기에 “다음엔 더 조용히 놓아보자”, “온도를 1도만 더 낮춰보자”라는 새로운 고민과 토론이 생겨났습니다. 눈에 보이지 않는 분자들이 온도와 싸우며 줄을 맞추어 나가는 신비로움. 성공했을 때 페트병 안의 아름다운 광경은 직접 도전해 본 사람만이 느낄 수 있습니다. 여러분도 과학의 즐거움을 온몸으로 느껴보시길 바랍니다!

아래는 다른 날 완벽하게 성공했던 사례입니다. 얼어붙는 속도감에 주목해 보세요!

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