실온에서도 ‘꽝꽝’ 어는 얼음 만들었다…"외계 행성 비밀 풀 수도"

세계 최대 X선 레이저로 새로운 ‘아이스21’ 발견

실온에서 고체 상태를 유지하는 완전히 새로운 형태의 얼음이 발견됐다고 과학전문매체 라이브사이언스가 23일(현지시간) 보도했다. 해당 연구 논문은 지난 10일(현지시간) 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 발표됐다.

이번에 발견된 ‘아이스21(ice XXI)’은 지금까지 발견된 21번째 얼음이다. 이 밖에도 사면체 구조의 ‘아이스19(ice XIX)‘, 별처럼 빛나는 초이온 얼음 등이 존재한다. 물은 2개의 수소 원자가 다양한 결정 구조와 비정질 구조로 얼어붙는 독특한 분자 구조 덕분에 다양한 형태의 고체 상태를 만들 수 있다.

실온에서 고체 상태를 유지하는 얼음이 발견됐다. (사진=픽사베이)

연구진은 두 개의 다이아몬드 사이에 물을 압축해 실온에서도 고체 상태를 유지하는 새로운 얼음을 생성했다. 이 과정에서 물은 ‘준안정(metastable)’ 상태, 즉 아주 미세한 자극에도 쉽게  불안정해지는 상태로 변했다.

연구진은 세계 최대 규모 X선 레이저 시설인 ‘유럽 X선 자유전자 레이저(XFEL)’를 이용해 이 현상을 관찰했다. 또, 초고압이 가해진 물이 고밀도 구조에서 초고밀도 구조로 변하는 과정을 확인했다.

연구진은 이번 발견이 외계 행성에서 얼음이 형성될 수 있는 새로운 방법을 열어줘 우주 탐사에도 중요한 단서를 제공할 수 있다고 설명했다.

연구진은 세계 최대 규모의 X선 레이저 ‘유럽 XFEL’의 고에너지 밀도 장비를 사용해 실온에서도 고체 상태를 유지하는 ‘아이스21’을 발견했다. (출처=유럽 XFEL)

논문 공동저자 레이철 허즈번드 독일 전자 싱크로트론 연구 센터의 박사후 연구원은 "이번 연구는 고온 환경에서도 준안정한 얼음 상태와 그 전이 경로가 더 많이 존재할 가능성을 시사한다”며, “이는 얼음으로 덮인 위성의 내부 구조와 조성을 이해하는 데 새로운 통찰을 제공할 것”이라고 밝혔다.

과학자들은 낮은 온도에서는 분자 운동이 느려 다양한 얼음 전이 경로가 나타나지만, 온도가 높아질수록 분자 운동 에너지가 커져 형태적 다양성이 줄어들 것으로 예상하고 있다.

연구진은 섭씨 22도 실온에서 얼음의 전이 과정을 관찰했다. 연구팀은 다이아몬드의 극한 경도를 이용하여 물질에 엄청난 압력을 가하는 장치인 ‘다이아몬드 앤빌 셀’이라는 장치를 사용했다. 이 장치는 지구 대기압의 약 2만 배에 달하는 압력을 가해 물 분자(H₂O)들을 압축시켜 고체 구조를 형성하도록 해준다. XFEL은 100만분의 1초(1μs, 마이크로초)마다 샘플을 스캔하여 물 구조가 변화하는 과정을 추적했다.

연구 공동저자 한국표준과학연구원(KRISS) 이근우 박사는 "유럽 XFEL의 독특한 X선 펄스를 활용해, 동적 다이아몬드 압착 셀을 통해 1천 회 이상 급속히 압축 및 감압된 물 분자에서 다중 결정화 경로를 규명했다"고 밝혔다.