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국내 연구팀이 다이아몬드로 만든 모루(앤빌)에서 2만 기압이 넘는 초과압(Supercompression)을 구현해 물이 얼음으로 변하는 새로운 결정화 과정과 21번째 결정상인 '얼음 XXI'를 발견했다.
한국표준과학연구원은 이근우 우주극한측정그룹 책임연구원팀이 자체 개발한 장비인 '동적 다이아몬드 앤빌 셀(dDAC)'을 활용해 새로운 얼음을 발견했다고 27일 밝혔다. 연구결과는 10일(현지시간) 국제학술지 '네이처 머티리얼즈'에 공개됐다.
일반적으로 노동부 물은 0℃ 이하에서 결정화되면서 얼음이 된다. 얼음이 되는 온도는 압력에도 영향을 받는다. 상온이나 물이 끓는 100℃에서도 얼음을 만들 수 있다는 뜻이다. 물이 얼음으로 변할 때는 물 분자 사이의 결합인 수소결합이 복잡하게 작용하면서 다양한 얼음 형태가 나타난다. 물과 얼음의 변화 과정을 이해하고 제어하면 지구에 없던 신소재를 구현할 수도 있다.
꼬마피카소 그림축제1900년부터 전세계 과학자들은 다양한 온도와 압력 조건에서 얼음 I부터 얼음 XX까지 20가지 '결정질 얼음'을 찾아내 정의했다. 얼음 I은 우리가 일상에서 접하는 육각링 형태의 얼음과 극저온에서 형성되는 형태의 얼음을 포함한다. 규칙적인 결정 구조가 없어 결정질 얼음에 포함되지 않는 '비정질 얼음'도 크게 4종류가 있다.
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한 세기 이상 진행되고 있는 얼음 I부터 얼음 XXI까지 결정상 발견의 역사. 표준연 제공


얼음 결정상이 발견된 온도와 압력의 범위는 각 2000캘빈(K) 이상과 100만기압까지 폭넓다. 대기압부터 2만기압 사이 영역은 물의 결정화가 신축건물 가장 복잡한 영역으로 꼽힌다.
상온에서 9600기압 이상의 압력을 받으면 '얼음 VI'이 된다는 사실은 1912년 밝혀졌다. 연구팀은 dDAC로 얼음 VI가 되는 압력구간에 초고압을 가해 새로운 얼음 결정상을 발견하는 데 성공했다.
dDAC는 머리카락 굵기의 미세한 구멍이 뚫린 금속 구멍에 물을 넣고 한 쌍의 다이아 새마을금고 주택담보대출금리 몬드로 막은 뒤 구멍 내에 초고압을 구현하는 장치다. 압축 시간을 줄이고 연속적인 압력 변화와 시료의 광학적·분광학적 관측이 동시에 가능하다.
기존 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)은 연구자가 수동으로 조립 볼트의 체결을 조절해야 해 압력을 가하는 데 시간이 소요돼 결정화 압력보다 높은 과압을 형성하기 어려웠다.



김민주 표준연 박사후연구원(왼쪽)과 이윤희 책임연구원이 동적 다이아몬드 앤빌 셀 장치를 통해 구현한 초과압수의 결정화 과정을 관찰하고 있다. 표준연 제공


연구팀은 dDAC로 기존 수십 초의 압축 시간을 10밀리초(ms, 1000분의 1초)까지 줄였다. 물이 얼음 VI로 바뀌는 데 필요한 9600기압의 2배 이상인 2만기압에서도 물이 불안정한 상태로 유지되는 초과압수를 구현하는 데 성공했다.
연구팀은 세계 최대 규모의 X선 레이저 시설인 '유로피언 XFEL'을 활용해 초과압 상태의 물이 결정화되는 과정을 마이크로초(100만분의 1초) 단위로 분해해 관측했다. 그 결과 지금까지 알려지지 않았던 상온 초고압 상태에서 물과 얼음의 상변화 경로 5개와 21번째 결정상인 얼음 XXI가 처음 발견됐다.
얼음 XXI의 결정 구조는 납작한 직육면체 모양으로 기존에 알려진 모든 결정상과 비교해 결정구조가 반복되는 최소 단위인 단위포(Unit Cell)가 훨씬 컸다. 



넓은 온도(세로축)와 압력(가로축) 구간에 걸쳐 존재하는 물과 얼음의 상태를 나타낸 그래프. 파란색 별표가 있는 곳이 새로 발견된 상온 초고압 얼음 XXI의 존재 위치다. 표준연 제공


새로 밝혀진 물의 상변화 경로는 물이 얼음 XXI을 거쳐 얼음 XI이 되는 과정, 물이 얼음 XII를 거쳐 얼음 XI가 되는 과정, 물이 얼음 XXI만 거치고 다시 물이 되는 과정 등이다.
이윤희 표준연 우주극한측정그룹 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 설명했다.
이근우 책임연구원은 "자체 개발한 dDAC 기술과 XFEL을 융합해 기존 장비로는 접근 불가능했던 찰나의 순간을 포착했다"며 "초고압과 같은 미지의 극한환경에 대한 지속적인 연구 노력이 과학의 새로운 지평을 열어줄 것"이라고 밝혔다.
<참고 자료> - doi.org/10.1038/s41563-025-02364-x



표준연 우주극한측정그룹 연구팀. 표준연 제공


[이병구 기자 [email protected]]