한 세기 이상 진행되고 있는 Ice I부터 Ice XX까지 얼음상 발견의 역사. 표준연 제공한국표준과학연구원(KRISS)은 상온에서 2만 기압(2 GPa)이 넘는 초고압 상태의 물이 얼음으로 변하는 과정을 마이크로초(μs, 100만분의 1초) 단위로 관측하는 데 성공하고, 기존에 알려지지 않았던 물의 결정화 경로와 21번째 결정상인 '얼음 XXI'를 세계 최초로 발견했다고 27일 밝혔다.
KRISS에 따르면 0도씨(℃) 이하에서 물이 결정화되면서 생기는 얼음은 상온이나 심지어 물이 끓는 고온에서도 생길 수 있다. 액체가 고체로 변하는 결정화 현상은 온도뿐만 아니라 '압력'에도 영향을 받기 때문이다. 상온에서 물은 '결정화 압력'인 9600기압(0.96 GPa) 이상의 압력을 받으면 얼음으로 상(Ice VI)이 변한다.
물이 얼음으로 변할 때, 물 분자 간의 수소결합 네트워크가 온도와 압력에 따라 복잡하게 왜곡, 재배열되면서 다양한 얼음상을 동반하는 결정화 과정이 나타난다. 물과 얼음의 복잡한 상전이 및 구조형성 과정을 이해하고, 그 과정을 극한 수준의 압력과 온도로 제어하면 지구상에 없던 신소재를 만들어 낼 수 있다.
그동안 세계 각국의 연구자들은 한 세기 이상 온도와 압력 조건을 조절하여 20가지의 결정질 얼음상을 발견해 왔다. 얼음상을 발견한 온도와 압력의 범위는 각 2천 켈빈(K) 이상과 100만 기압(100 GPa) 이상까지 넓게 형성돼 있다. 그중 대기압(0 GPa)부터 2만 기압 사이의 영역은 물의 상전이가 가장 복잡하게 생기는 핵심 영역으로 10개 이상의 얼음상이 밀집돼 있다.
KRISS 우주극한측정그룹은 자체 개발한 '동적 다이아몬드 앤빌 셀(dDAC)' 장비를 이용해 상온에서 2만 기압 이상까지 물이 액체로 존재하는 결정화 압력의 200%가 넘는 초과압 상태를 형성하는 데 성공했다.
기존 다이아몬드 앤빌 셀(DAC) 장치는 연구자가 수동으로 DAC 조립볼트의 체결정도를 달리해 압력을 증가시켜, 압력을 가하는 과정에서 결정화가 이뤄져 결정화 압력을 크게 뛰어넘는 과압을 형성하기 힘들었다.
KRISS 우주극한측정그룹 초고압 연구팀 이윤희 책임연구원, 김민주 박사후연구원, 김진균 박사후연구원, 이근우 책임연구원(왼쪽부터). 표준연 제공연구팀이 개발한 dDAC은 가압 시 충격을 최소화하는 미세 변위제어 장치를 적용하고, 기존 수십 초의 압축 시간을 10 밀리초(1천분의 1초)까지 단축했다.
연구팀은 또 세계 최대 규모의 X선 레이저 시설인 '유로피언 XFEL'을 통해 초과압 상태의 물이 결정화되는 과정을 마이크로초 시간 분해로 관측했다. 그 결과 상온에서 지금까지는 알려지지 않았던 5가지 이상의 결정화 경로를 발견하고, 해당 경로를 분석해 21번째 결정상인 '얼음 XXI'를 세계 최초로 확인했다.
얼음 XXI는 기존 알려진 얼음상에 비해 결정구조의 최소 반복 단위인 단위포가 압도적으로 크고, 바닥 면의 두 변의 길이가 같으면서 납작한 직육면체 형상의 결정 구조를 가진 것으로 나타났다.
KRISS 우주극한측정그룹 이윤희 책임연구원은 "얼음 XXI의 밀도는 목성과 토성의 얼음 위성 내부에 존재하는 초고압 얼음층과 비슷한 수준"이라며 "이번 발견이 극한 환경에서 우주 생명체의 근원을 탐색하는 단서를 제공할 수도 있다"고 말했다.