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유리화 (물리학)

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목차

1. 개요

유리화는 물질이 액체 상태에서 고체 상태로 변환되는 과정으로, 액체 상태의 물질이 급격히 냉각되면서 결정화되지 않고 비정질 고체 상태로 굳어지는 현상을 의미한다. 도자기 제작 과정에서 점토나 도자기 몸체가 소성되면서 부분적으로 융합되는 현상을 나타내며, 핵 폐기물 처리 및 극저온 보존 등 다양한 분야에서 활용된다. 극저온 생물학에서는 얼음 결정 형성을 막아 세포나 조직을 보존하는 데 사용되며, 식물 종자 보존에도 응용된다.

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유리화 (물리학)
정의
유리화어떤 물질이 유리로 변환되는 과정
상세 설명
과정액체를 유리 전이 온도 이하로 빠르게 냉각시켜 비정질 고체로 만드는 과정
응용 분야과학
세라믹 공학
지질학
고고학
음식 준비
보존
관련 용어탈유리화: 유리질 물질이 결정질로 변환되는 현상
유리 전이: 액체 또는 고체의 가역적 전이
열처리: 유리의 강도를 높이는 과정
과학에서의 유리화
설명수용액의 초고속 냉각을 통해 액체 상태를 유지하면서 비정질 고체(유리) 상태로 만드는 방법
특성용액의 화학적 특성 유지
구조적 이완 방지
활용생물학적 시료 보존
고분자 연구
약학
세라믹 공학에서의 유리화
설명점토 물질을 소성하여 유리질 상을 형성하는 과정
목적다공성 감소
강도 증가
내구성 향상
지질학에서의 유리화
설명화산암이 급격히 냉각되어 유리질 구조를 갖게 되는 현상 (예: 흑요석)
관련 용어자연 유리
고고학에서의 유리화
설명극심한 열에 의해 유적지에서 물질이 유리화되는 현상
예시번개에 의한 토양 유리화
화산 폭발에 의한 유기물 유리화 (폼페이 유골)
인공적인 유리화 (예: 요새 벽의 방어)
관련 연구2020년 베수비오 화산 폭발 희생자의 뇌 유리화 현상 발견
열에 의해 뇌 조직이 유리처럼 변하는 현상 연구
음식 준비에서의 유리화
설명설탕을 녹여 투명한 유리 같은 질감을 만드는 요리 기법 (카라멜)
활용사탕 제조
장식
풍미 향상
보존에서의 유리화
설명물체를 유리 같은 상태로 만들어 장기간 보존하는 기술
적용생물학적 표본
문화재
음식

2. 도자기

점토 또는 도자기 몸체가 소성 과정의 결과로 점진적으로 부분적으로 융합되는 현상을 유리화라고 한다. 유리화가 진행됨에 따라 유리 결합의 비율이 증가하고 소성된 제품의 겉보기 다공성이 점차 낮아진다.[1][10] 유리질 몸체는 열린 다공성을 가지며 불투명하거나 반투명할 수 있다. "0 다공성"은 1% 미만의 흡수율로 정의될 수 있지만, 다양한 표준 절차에서 흡수율의 조건을 정의한다.[11][12][13] ASTM에서는 "유리질이라는 용어는 일반적으로 0.5% 미만의 흡수율을 의미하며, 바닥 및 벽 타일과 저전압 전기 절연체의 경우 최대 3%의 흡수율을 갖는 것으로 간주된다."라고 명시한다.[14]

도자기는 유약을 바르거나 유리화를 통해 물에 대한 불투과성을 가질 수 있다. 자기, 본 차이나, 그리고 위생 도기는 유리화된 도기의 예시이며, 유약이 없어도 불투과성을 띈다. 스톤웨어는 유리화 또는 반유리화될 수 있으며, 후자의 경우 유약이 없으면 불투과성을 띄지 않는다.[1][15][16]

2. 1. 도자기의 종류와 유리화

점토 또는 도자기 몸체가 소성 과정의 결과로 점진적으로 부분적으로 융합되는 현상을 유리화라고 한다. 유리화가 진행됨에 따라 유리 결합의 비율이 증가하고 소성된 제품의 겉보기 다공성이 점차 낮아진다.[1][10] 유리질 몸체는 열린 다공성을 가지며 불투명하거나 반투명할 수 있다. "0 다공성"은 1% 미만의 흡수율로 정의될 수 있지만, 다양한 표준 절차에서 흡수율의 조건을 정의한다.[11][12][13] ASTM에서는 "유리질이라는 용어는 일반적으로 0.5% 미만의 흡수율을 의미하며, 바닥 및 벽 타일과 저전압 전기 절연체의 경우 최대 3%의 흡수율을 갖는 것으로 간주된다."라고 명시한다.[14]

도자기는 유약을 바르거나 유리화를 통해 물에 대한 불투과성을 가질 수 있다. 자기, 본 차이나, 그리고 위생 도기는 유리화된 도기의 예시이며, 유약이 없어도 불투과성을 띈다. 스톤웨어는 유리화 또는 반유리화될 수 있으며, 후자의 경우 유약이 없으면 불투과성을 띄지 않는다.[1][15][16]

3. 유리화의 활용

천천히 냉각하면 설탕은 결정 설탕(또는 사탕수수)이 되지만, 빠르게 냉각하면 시럽 같은 솜사탕이 될 수 있다.

유리화는 물과 같은 액체에서도 발생할 수 있으며, 매우 빠른 냉각이나 얼음 결정 형성을 억제하는 물질을 넣어 결빙을 막는다. 유리화는 극저온 전자 현미경에서 시료를 매우 빠르게 냉각시켜 손상 없이 전자 현미경으로 이미징하는 데 사용된다.[17][18] 2017년에는 단백질이나 바이러스 입자와 같은 물체를 이미징하는 데 사용할 수 있는 이 기술의 개발로 노벨 화학상이 수여되었다.[19]

창문과 음료 용기에 사용되는 일반적인 소다석회 유리는 이산화 규소에 탄산 나트륨과 석회 (산화 칼슘)를 첨가하여 만들어진다. 이러한 첨가제가 없으면 이산화 규소는 매우 높은 온도에서 녹여야 하며, 그 후 (느린 냉각으로) 유리가 된다.

유리화는 핵 폐기물 또는 기타 유해 폐기물의 처리 및 장기 보관에 사용되는 지구용융 방법의 핵심 기술이다. 폐기물은 용광로에서 유리 형성 화학 물질과 혼합되어 용융 유리를 형성한 다음 캐니스터에서 고화되어 폐기물을 고정시킨다. 최종 폐기물 형태는 흑요석과 유사하며 침출되지 않고 내구성이 뛰어난 물질로, 내부의 폐기물을 효과적으로 가둔다. 이러한 폐기물은 대기 오염 또는 지하수 방사성 오염에 대한 우려 없이 이 형태로 비교적 장기간 보관할 수 있다고 널리 추정된다. 대량 유리화는 전극을 사용하여 매립된 토양과 폐기물을 녹인다. 그런 다음 경화된 폐기물은 광범위한 오염의 위험이 줄어든 상태로 발굴될 수 있다. 태평양 북서부 국립 연구소에 따르면 "유리화는 위험한 물질을 수천 년 동안 지속될 안정적인 유리 형태로 가둔다."[21]

3. 1. 극저온 보존

극저온 보존의 유리화는 인간의 난자(생식세포) (난자)(난자 극저온 보존)와 배아(배아 극저온 보존)를 보존하는 데 사용된다. 이는 얼음 결정 형성을 방지하며 매우 빠른 과정(-23,000 °C/분)으로 진행된다.

현재 유리화 기술은 알코어 생명 연장 재단에서 뇌(신경 유리화)에, 극저온 연구소에서 상체에만 적용되었지만, 두 조직 모두 전신에 유리화를 적용하기 위한 연구를 진행 중이다.

극지방에 사는 많은 목본 식물은 추위를 견디기 위해 자연적으로 세포를 유리화한다. 일부는 액체 질소와 액체 헬륨에 담가도 생존할 수 있다.[22] 유리화는 또한 멸종 위기에 처한 식물 종과 그 씨앗을 보존하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 불내성 종자는 보존하기 어려운 것으로 간주된다. 유리화의 한 응용 분야인 식물 유리화 용액(PVS)은 ''Nymphaea caerulea'' 종자를 성공적으로 보존했다.[23]

극저온 생물학에서 사용되거나 극지방에 사는 유기체에 의해 자연적으로 생성되는 첨가제를 극저온 보호제라고 한다.

'''당과 식물 유리화 용액의 Tg(유리 전이 온도)'''[23]
화학식Tg (중간, °C)
1M 수크로스
1M 포도당
1M 트레할로스
50% 수크로스 + 50% 글리세롤 (PVS3)
50% 수크로스 + 50% EG
50% 수크로스 + 50% PG
75% 수크로스 + 25% 글리세롤
75% 수크로스 + 25% EG
75% 수크로스 + 25% PG
25% 수크로스 + 75% 글리세롤
25% 수크로스 + 75% EG
25% 수크로스 + 75% PG


3. 1. 1. 극저온 보존 기술 적용 사례

극저온 보존의 유리화는 인간의 난자(생식세포) (난자)(난자 극저온 보존)와 배아(배아 극저온 보존)를 보존하는 데 사용된다. 이는 얼음 결정 형성을 방지하며 매우 빠른 과정(-23,000 °C/분)으로 진행된다.

현재 유리화 기술은 알코어 생명 연장 재단에서 뇌(신경 유리화)에, 극저온 연구소에서 상체에만 적용되었지만, 두 조직 모두 전신에 유리화를 적용하기 위한 연구를 진행 중이다.

극지방에 사는 많은 목본 식물은 추위를 견디기 위해 자연적으로 세포를 유리화한다. 일부는 액체 질소와 액체 헬륨에 담가도 생존할 수 있다.[22] 유리화는 또한 멸종 위기에 처한 식물 종과 그 씨앗을 보존하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 불내성 종자는 보존하기 어려운 것으로 간주된다. 유리화의 한 응용 분야인 식물 유리화 용액(PVS)은 ''Nymphaea caerulea'' 종자를 성공적으로 보존했다.[23]

극저온 생물학에서 사용되거나 극지방에 사는 유기체에 의해 자연적으로 생성되는 첨가제를 극저온 보호제라고 한다.

'''당과 식물 유리화 용액의 Tg(유리 전이 온도)'''[23]
화학식Tg (중간, °C)
1M 수크로스
1M 포도당
1M 트레할로스
50% 수크로스 + 50% 글리세롤 (PVS3)
50% 수크로스 + 50% EG
50% 수크로스 + 50% PG
75% 수크로스 + 25% 글리세롤
75% 수크로스 + 25% EG
75% 수크로스 + 25% PG
25% 수크로스 + 75% 글리세롤
25% 수크로스 + 75% EG
25% 수크로스 + 75% PG


3. 2. 핵폐기물 처리

3. 2. 1. 지구용융(GeoMelt)

(빈문서)

3. 3. 기타 응용

천천히 냉각하면 설탕은 결정 설탕(또는 사탕수수)이 되지만, 빠르게 냉각하면 시럽 같은 솜사탕이 될 수 있다. 유리화는 물과 같은 액체에서도 발생할 수 있으며, 매우 빠른 냉각이나 얼음 결정 형성을 억제하는 물질을 도입하여 발생한다. 이는 얼음 결정 형성을 초래하는 일반적인 결빙과는 대조적이다. 유리화는 극저온 전자 현미경에서 시료를 매우 빠르게 냉각시켜 손상 없이 전자 현미경으로 이미징하는 데 사용된다.[17][18] 2017년에는 단백질이나 바이러스 입자와 같은 물체를 이미징하는 데 사용할 수 있는 이 기술의 개발로 노벨 화학상이 수여되었다.[19]

창문과 음료 용기에 사용되는 일반적인 소다석회 유리는 이산화 규소에 탄산 나트륨과 석회 (산화 칼슘)를 첨가하여 만들어진다. 이러한 첨가제가 없으면 이산화 규소는 용융을 얻기 위해 매우 높은 온도가 필요하며, 그 후 (느린 냉각으로) 유리가 된다.

유리화는 핵 폐기물 또는 기타 유해 폐기물의 처리 및 장기 보관에 사용된다. 폐기물은 용광로에서 유리 형성 화학 물질과 혼합되어 용융 유리를 형성한 다음 캐니스터에서 고화되어 폐기물을 고정시킨다. 최종 폐기물 형태는 흑요석과 유사하며 침출되지 않고 내구성이 뛰어난 물질로, 내부의 폐기물을 효과적으로 가둔다. 이러한 폐기물은 대기 오염 또는 지하수 방사성 오염에 대한 우려 없이 이 형태로 비교적 장기간 보관할 수 있다고 널리 추정된다. 대량 유리화는 전극을 사용하여 매립된 토양과 폐기물을 녹인다. 그런 다음 경화된 폐기물은 광범위한 오염의 위험이 줄어든 상태로 발굴될 수 있다. 태평양 북서부 국립 연구소에 따르면 "유리화는 위험한 물질을 수천 년 동안 지속될 안정적인 유리 형태로 가둔다."[21]

4. 극저온 생물학과 유리화

극저온 보존의 유리화는 인간의 난자(난자 극저온 보존)와 배아(배아 극저온 보존)를 보존하는 데 사용된다. 이 과정은 얼음 결정 형성을 방지하며 -23,000 °C/분의 매우 빠른 속도로 진행된다.

현재 유리화 기술은 알코어 생명 연장 재단에서 뇌(신경 유리화)에, 극저온 연구소에서 상체에만 적용되었지만, 두 조직 모두 전신에 유리화를 적용하기 위한 연구를 진행 중이다.

극지방에 사는 많은 목본 식물은 추위를 견디기 위해 자연적으로 세포를 유리화한다. 일부는 액체 질소와 액체 헬륨에 담가도 생존할 수 있다.[22] 유리화는 또한 멸종 위기에 처한 식물 종과 그 씨앗을 보존하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 불내성 종자는 보존하기 어려운 것으로 간주된다. 식물 유리화 용액(PVS)은 ''Nymphaea caerulea'' 종자를 성공적으로 보존했다.[23]

극저온 생물학에서 사용되거나 극지방에 사는 유기체에 의해 자연적으로 생성되는 첨가제를 극저온 보호제라고 한다.

'''당과 식물 유리화 용액의 Tg(유리 전이 온도)'''[23]
화학식Tg (중간, °C)
1M 수크로스
1M 포도당
1M 트레할로스
50% 수크로스 + 50% 글리세롤 (PVS3)
50% 수크로스 + 50% EG
50% 수크로스 + 50% PG
75% 수크로스 + 25% 글리세롤
75% 수크로스 + 25% EG
75% 수크로스 + 25% PG
25% 수크로스 + 75% 글리세롤
25% 수크로스 + 75% EG
25% 수크로스 + 75% PG


4. 1. 극저온 보호제

4. 1. 1. 당과 식물 유리화 용액(PVS)의 유리 전이 온도(Tg)

요약(summary)과 원본 소스(source)가 제공되지 않았습니다. 요약과 원본 소스를 제공해주시면 위키텍스트를 작성해 드리겠습니다.

4. 2. 멸종 위기 식물 보존

참조

[1] 서적 Fundamentals of Inorganic Glasses Society of Glass Technology 2006
[2] 서적 Encyclopedia of glass science, technology, history, and culture https://worldcat.org[...] American Ceramic Society
[3] 서적 Dictionary of Ceramics https://scribd.com/d[...] Institute of Materials, Minerals and Mining 1994
[4] 논문 Connectivity and glass transition in disordered oxide systems 2010
[5] 논문 Heat-Induced Brain Vitrification from the Vesuvius Eruption in C.E. 79
[6] 논문 Supplementary Appendix to: Petrone P, Pucci P, Niola M, et al. Heat-induced brain vitrification from the Vesuvius eruption in c.e. 79 https://nejm.org/doi[...] 2020-09-13
[7] 웹사이트 Brains Turned to Glass? Suffocated in Boathouses? Vesuvius Victims Get New Look https://www.nytimes.[...] 2020-09-13
[8] 웹사이트 Mount Vesuvius eruption: Extreme heat 'turned man's brain to glass' https://bbc.com/news[...] BBC 2020-01-24
[9] 논문 A conscious rethink: Why is brain tissue commonly preserved in the archaeological record? Commentary on: Petrone P, Pucci P, Niola M, et al. Heat-induced brain vitrification from the Vesuvius eruption in C.E. 79. N Engl J Med 2020;382:383-4. DOI: 10.1056/NEJMc1909867
[10] 간행물 Role Of Accessory Minerals On The Vitrification Of Whiteware Compositions. Ceram.Int. 1990
[11] 서적 Whitewares: Production, Testing and Quality Control. Institute of Materials 1997
[12] 간행물 Methods Of Extending The Narrow Vitrification Range Of Clays. Glass & Ceramics 1979
[13] 간행물 Control Of Optimum Vitrification In Vitreous And Porcelain Bodies. Ceram.Inf. 1991
[14] 간행물 'Standard Terminology Of Ceramic Whitewares and Related Products'
[15] 간행물 Body Builders. Asian Ceramics 2014-06
[16] 서적 An Introduction To The Technology Of Pottery. Institute of Ceramics 1988
[17] 논문 Vitrification of pure water for electron microscopy 1981-12
[18] 논문 Cryo-EM-the first thirty years 2012-03
[19] 뉴스 Nobel Prize in Chemistry Awarded for Cryo-Electron Microscopy https://www.nytimes.[...] The New York Times 2017-10-04
[20] 논문 Glassy wasteforms for nuclear waste immobilization https://www.research[...] 2011
[21] 웹사이트 Waste Form Release Calculations for the 2005 Integrated Disposal Facility Performance Assessment http://www.pnl.gov/m[...] Pacific Northwest National Laboratory 2006-11-08
[22] 논문 Extreme low temperature tolerance in woody plants. 2015
[23] 서적 Cryopreservation of seeds of blue waterlily (Nymphaea caerulea) using glutathione adding plant vitrification solution, PVS+ / 埃及藍睡蓮種子的冷凍保存 — 使用添加穀胱甘肽的植物抗凍配方 https://lch99310.git[...] National Tsing Hua University 2016


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