[과학을읽다]초고압 환경에서 새로운 얼음 찾았다

한국표준과학연구원(KRISS)이 상온에서 2만 기압이 넘는 초고압 상태의 물이 얼음으로 변하는 순간을 포착했다.

KRISS 연구진은 물의 결정화 과정을 마이크로초(μs·100만분의 1초) 단위로 관측해 기존에 알려지지 않았던 새로운 결정 구조의 얼음상(相)인 '얼음 XXI(Ice 21)'을 세계 최초로 발견했다고 27일 밝혔다.

넓은 온도 및 압력 구간에 걸쳐 존재하는 다양한 물과 얼음의 상태도. 파란색으로 표기된 곳이 이번에 새롭게 발견된 상온 초고압 얼음 'Ice XXI'의 존재 위치. KRISS 제공

압력으로 만들어진 '상온의 얼음'

물은 보통 0℃ 이하에서 얼지만, 온도뿐 아니라 압력도 물의 상태를 결정짓는다. 압력이 충분히 높아지면 상온에서도 물이 고체인 얼음으로 변할 수 있다.

상온에서 물은 약 9600기압(0.96 GPa) 이상이 되면 '얼음 VI'로 변하는데, 이번 연구에서는 그보다 훨씬 높은 2만 기압(2GPa) 환경에서 액체 상태가 유지되다 얼음으로 바뀌는 과정을 직접 관측했다.

이처럼 극한의 압력에서는 물 분자 간 수소결합 구조가 복잡하게 뒤틀리고 재배열되면서 여러 형태의 얼음이 만들어진다.

지금까지 전 세계 과학자들은 다양한 온도·압력 조건에서 20가지의 결정질 얼음을 발견했으나, 특히 0~2만 기압의 중간 압력 영역은 여러 상전이(phase transition)가 중첩되는 '복잡한 구간'으로, 그 내부 구조를 밝히기 어려웠다.

KRISS 김민주 박사후연구원(좌)과 이윤희 책임연구원(우)이 동적 다이아몬드 앤빌셀 장치를 통해 구현한 초과압수의 결정화 과정을 관찰하고 있다. KRISS 제공

머리카락 굵기의 공간에서 2만 기압을 만든 기술

이번 발견의 배경에는 KRISS가 독자 개발한 초정밀 압축 장치, '동적 다이아몬드 앤빌 셀(dDAC)' 기술이 있다.

이 장치는 머리카락보다 가는 미세한 금속 틈에 물을 넣고 두 개의 다이아몬드로 눌러 초고압을 가하는 장비다. 기존 장비는 연구자가 수동으로 압력을 조절해 수십 초에 걸쳐 압축해야 했지만, KRISS는 피에조 액추에이터를 이용해 10 밀리초(1 000분의 1초) 만에 압력을 가할 수 있도록 설계했다.

이 덕분에 물이 얼음으로 바뀌기 직전의 '초과압(supercompression)' 상태를 구현할 수 있었다. 이는 물이 이미 얼어야 하는 압력보다 훨씬 높은 압력을 견디는 준안정 액체 상태로, 지금까지는 실험적으로 거의 관찰되지 않은 영역이다.

연구진은 이 상태의 물을 세계 최대 규모의 X선 자유전자레이저 시설인 '유로피언 XFEL(European XFEL)'에 노출시켜, 초당 수백만 번의 X선을 쏘아 물 분자 구조의 변화를 포착했다. 그 결과, 상온에서 5가지 이상의 새로운 결정화 경로를 발견했으며, 이 중 하나가 이전에 보고된 적 없는 새로운 결정상 '얼음 XXI'임을 확인했다.

기존 얼음보다 큰 결정 구조…행성 내부와 유사

새로 발견된 얼음 XXI는 기존의 얼음과는 다른 독특한 구조를 갖고 있었다. 결정 구조의 최소 반복 단위인 '단위포(Unit Cell)'의 크기가 매우 크고, 납작한 직육면체 형태를 이루고 있었다.

KRISS 연구진은 X선 회절 데이터를 이용해 물 분자들의 정확한 위치를 분석하고, 새로운 얼음 XXI의 구조를 완전히 규명했다.

KRISS 우주극한측정그룹 초고압 연구팀. 왼쪽부터 이윤희 책임연구원, 김민주 박사후연구원, 김진균 박사후연구원, 이근우 책임연구원. KRISS 제공

이윤희 KRISS 우주극한측정그룹 책임연구원은 "얼음 XXI의 밀도는 목성과 토성의 얼음 위성 내부에 존재할 것으로 예측되는 초고압 얼음층과 비슷한 수준"이라며 "이번 연구는 우주 행성의 내부 구조나 생명체 존재 가능성 탐사에도 중요한 단서를 제공할 것"이라고 설명했다.

같은 그룹의 이근우 책임연구원은 "자체 개발한 dDAC 기술과 XFEL의 초고속 촬영 기술을 결합해 기존 장비로는 접근할 수 없었던 '찰나의 순간'을 포착했다"며 "극한환경에서의 물질 거동을 밝히는 연구가 신소재 개발과 극한환경 과학의 새로운 장을 열 것"이라고 강조했다.

물리학 넘어 우주과학으로 확장되는 '얼음 연구'

이번 성과는 단순히 새로운 얼음의 발견을 넘어, 물의 구조적 본질을 이해하고 극한 조건에서 물질이 어떤 변화를 겪는지를 실험적으로 보여줬다는 데 의미가 있다. 이 연구는 국가과학기술연구회가 추진하는 '4000 K급 로켓엔진용 초고온 소재 및 물성측정기술 개발 사업'의 지원을 받아 수행됐다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 머티리얼스(Nature Materials, 영향력 지수 38.5)' 10월호에 게재됐다. 논문명은 "상온에서 얼음 XXI 단계를 거치는 고밀도 얼음의 다중 동결?융해 경로(Multiple Freezing?Melting Pathways of High-Density Ice through Ice XXI Phase at Room Temperature)"이며, 이윤희 책임연구원이 제 1저자, 이근우 책임연구원이 교신저자로 참여했다.

KRISS는 이번 연구를 계기로 초고압·초고온 등 우주 극한환경에서의 물질 거동을 정밀하게 측정할 수 있는 기반 기술을 확립했다는 평가를 받고 있다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr
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