안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
설탕물을 천천히 식힐 때 큰 결정이 생기는 원리는 핵생성과 결정 성장 사이의 속도 경쟁에 있습니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.
용해된 설탕이 다시 고체 결정으로 돌아갈 때는 설탕 분자들이 서로 뭉쳐 결정의 기본 씨앗이 되는 핵생성과 생성된 핵 표면에 주변 설탕 분자들이 차곡차곡 붙어 덩치를 키우는 결정 성장 두 가지 화학적 과정을 거칩니다.
온도가 천천히 내려가면 용액의 과포화 상태가 매우 느리고 완만하게 진행되어 새로운 결정 핵을 새로 만드는 데 필요한 에너지가 크기 때문에, 용액 전체에 핵이 몇 개 만들어지지 않습니다. 씨앗의 개수가 적은 상태에서 용액 속 설탕 분자들이 몇 안 되는 씨앗으로 계속 모여들기 때문에 하나하나의 결정이 거대하게 자라납니다.
반면, 온도가 갑자기 떨어지면 용액이 순식간에 극도의 과포화 상태에 도달해 시스템이 매우 불안정해지면서 용액 곳곳에서 동시다발적으로 수많은 결정 핵이 폭발적으로 생깁니다. 설탕 분자가 수많은 작은 씨앗으로 분산되어 소모되므로 눈에 잘 보이지 않을 정도로 미세한 결정들이 대량 형성됩니다.