한국표준과학연구원(원장 이호성)은 상온에서 2만 기압(2㎬)이 넘는 초고압 상태 물이 얼음으로 변하는 과정을 마이크로초(100만분의 1초) 단위 관측에 성공했다고 27일 밝혔다. 기존에 알려지지 않았던 물의 결정화 경로와 21번째 결정상인 '얼음 XXI(Ice XXI)'를 세계 최초로 발견했다.
0도 이하에서 물이 결정화되면서 생기는 얼음은 물이 끓는 고온에서도 생길 수 있는데, 온도뿐 아니라 압력에도 영향을 받기 때문이다. 상온에서 물은 0.96㎬ 이상 압력을 받으면 얼음으로 변한다. 물과 얼음의 복잡한 상전이, 구조형성 과정을 이해하고 극한 수준 압력·온도로 제어하면 지구상에 없던 신소재를 만들어 낼 수 있다.
이미 세계 연구자들은 20가지 결정질 얼음상을 발견해 왔다. 대기압(0㎬)부터 2㎬ 사이 영역은 물 상전이가 가장 복잡하게 생기는 핵심 영역으로, 10개 이상 얼음상이 밀집돼 있다.
표준연 우주극한측정그룹은 자체 개발한 초고압 발생장치 '동적 다이아몬드 앤빌 셀(dDAC)' 장비를 이용해 상온에서 2㎬ 이상까지 물이 액체로 존재하는, 결정화 압력 200%가 넘는 초과압 상태 형성에 성공했다.
그동안 다이아몬드 앤빌 셀(DAC) 장치는 연구자가 수동으로 DAC 조립볼트 체결정도를 달리해 압력을 증가시키기 때문에, 압력을 가하는 과정에서 결정화가 금세 이뤄져 결정화 압력을 크게 뛰어넘는 과압을 형성하기 힘들었다.
반면 dDAC은 가압 시 충격을 최소화하는 미세 변위제어 장치를 적용하고, 기존 수십 초의 압축 시간을 10 밀리초(1000분의 1초)까지 단축했다. 이로써 물이 얼음으로 바뀌어야 하는 결정화 압력을 크게 넘어선 2㎬ 이상에서도 액체 물이 준안정 상태로 유지되는 초과압수를 형성했다.
연구팀은 세계 최대 규모 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.
상온에서 형성된 얼음 XXI는 기존 알려진 얼음상에 비해 결정구조의 최소 반복 단위인 '단위포'가 압도적으로 크고, 바닥 면의 두 변의 길이가 같으면서 납작한 직육면체 형상 결정 구조를 가진 것으로 나타났다. 연구진은 얼음 XXI 단위포 내 물 분자 위치정보를 분석해 구조를 규명했다.
이윤희 우주극한측정그룹 책임연구원은 “얼음 XXI 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.
이근우 우주극한측정그룹 책임연구원은 “자체 개발한 dDAC 기술과 XFEL을 융합해 기존 장비로는 접근 불가능했던 찰나의 순간을 포착할 수 있었다”며 “ 초고압과 같은 미지의 극한환경에 대한 지속적인 연구 노력이 과학의 새로운 지평을 열어줄 것”이라고 기대감을 밝혔다.
이번 연구성과는 네이처 머터리얼즈에 이달 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
