극압 실험을 통해 이상한 새로운 얼음 단계가 밝혀졌습니다

이 성과는 물의 완전히 새로운 결정화 경로를 확인하고 이전에 알려지지 않았던 얼음 상을 발견하는 결과를 가져왔습니다. 새로 인식된 구조는 Ice XXI로 명명되어 21번째 결정 형태의 얼음이 되었습니다.

고압이 새로운 형태의 얼음을 만드는 방법

물은 일반적으로 온도가 0°C 아래로 떨어지면 얼음으로 변하지만, 압력이 결정화를 촉진할 수도 있습니다. 적절한 압력 조건에서 얼음은 실온이나 심지어 평소 끓는점보다 높은 온도에서도 형성될 수 있습니다. 예를 들어, 실온에서 0.96 GPa 이상으로 압축된 물은 Ice VI으로 변환됩니다.

냉동하는 동안 물 분자 사이의 수소 결합 네트워크는 복잡한 방식으로 왜곡되고 재구성됩니다. 이러한 변화는 주변 압력과 온도에 따라 다양한 얼음 구조를 생성합니다.

이러한 분자 재배열이 어떻게 발생하는지와 극한 조건에서 이를 제어할 수 있는 능력에 대한 보다 자세한 이해는 지구에 자연적으로 존재하지 않는 완전히 새로운 물질을 만드는 길을 열어줄 수 있습니다.

한 세기의 얼음 연구가 새로운 이정표에 도달했습니다

지난 100년 동안 과학자들은 압력과 온도를 조정하여 20개의 뚜렷한 얼음 결정 상태*를 식별했습니다. 이러한 단계는 온도가 2,000K가 넘고 압력이 100GPa가 넘는 광범위한 범위에 걸쳐 나타납니다. 대기압(0GPa)과 2GPa 사이의 영역은 10개 이상의 서로 다른 얼음 상이 함께 모여 있는 물의 상태도에서 가장 복잡한 영역 중 하나로 간주됩니다.

KRISS의 우주 계측 그룹은 일반적으로 결정화에 필요한 압력의 2배가 넘는 2GPa 이상의 가압에도 불구하고 물이 실온에서 액체로 유지되는 초압축 액체 상태를 만드는 데 성공했습니다. 이는 KRISS에서 개발한 고압 장비인 dDAC**(Dynamic Diamond Anvil Cell)를 통해 가능해졌습니다.

기존의 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)은 볼트를 조여 압력을 증가시킵니다. 이 과정에서 압력 구배와 조기 핵 생성을 유발하는 기계적 교란이 발생하는 경우가 많습니다. KRISS dDAC는 기계적 충격을 줄이고 압축 시간을 수십 초에서 단 10밀리초(ms)로 단축하여 이러한 문제를 최소화합니다. 이를 통해 물은 액체를 유지하면서 Ice VI 압력 범위 깊숙이 밀어 넣을 수 있었습니다.

새로운 얼음 단계의 탄생 포착

KRISS 과학자들은 국제 파트너들과 협력하여 dDAC를 유럽 XFEL(세계 최대 X선 자유전자 레이저 시설)과 함께 사용하여 마이크로초 단위의 정밀도로 초압축수의 결정화를 모니터링했습니다. 이러한 관찰을 통해 이전에는 볼 수 없었던 복잡한 실온에서의 결정화 경로가 밝혀졌습니다. 이러한 전환은 새로운 얼음 단계인 Ice XXI를 통해 발생했으며, 이는 21번째 결정 형태의 얼음이 세계 최초로 확인된 것입니다.

연구원들은 또한 Ice XXI의 상세한 구조를 결정하고 그 형성으로 이어지는 다양한 경로를 매핑했습니다. Ice XXI는 알려진 다른 단계에 비해 비정상적으로 크고 복잡한 단위 셀을 보여줍니다. 크리스탈의 기하학적 구조는 두 개의 베이스 가장자리의 길이가 동일한 편평한 직사각형 격자입니다.

대규모 국제 협력

이번 발견에는 한국, 독일, 일본, 미국, 영국 출신의 33명의 연구자와 유럽 XFEL 및 DESY의 과학자들이 참여했습니다. 이번 프로젝트는 연구책임자(PI)를 맡은 이근우 박사의 지휘 아래 KRISS가 제안하고 주도했다.

KRISS 팀에는 김진균 박사(공동 제1저자, KRISS 박사후연구원), 김용재 박사(공동제1저자, 전 KRISS 박사후연구원, 현 로렌스리버모어국립연구소), 이윤희 박사(공동제1저자, 책임연구원), 김민주 박사(공동저자, 박사후연구원), 조용찬 박사(공동저자, 책임연구원), 이근우 박사(교신저자, 책임연구원). 그들은 Ice XXI의 최초 식별을 가능하게 한 실험 설계, 데이터 수집 및 구조 분석을 주도했습니다. 그들의 연구는 고압 물리학 및 행성 과학의 주요 발전을 나타냅니다.

이윤희 박사는 “얼음 XXI의 밀도는 목성과 토성의 얼음 위성 내부의 고압 얼음층과 비슷하다”며 “이번 발견은 우주의 극한 상황에서 생명의 기원을 탐구하는 데 새로운 단서를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

이근우 박사는 “자체 개발한 dDAC 기술과 XFEL을 결합해 기존 장비로는 접근할 수 없었던 찰나의 순간을 포착할 수 있었다”며 “초고압 및 기타 극한 환경에 대한 지속적인 연구는 과학의 새로운 지평을 열어줄 것”이라고 덧붙였다.

메모

* 이전에는 Ice I에서 Ice XX까지의 얼음 단계가 보고되었습니다. 얼음 I은 육각형 얼음 Ih와 입방 얼음 Ic의 두 가지 구조 형태로 나타납니다.

** dDAC는 한 쌍의 다이아몬드와 압전 액추에이터를 사용하여 미세한 물 샘플의 압력 변화를 동적으로 제어하고 관찰하는 고압 장치입니다.

이번 연구는 국립과학기술연구회(NST)의 4000K급 로켓엔진 초고온 소재 및 측정기술 개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 결과는 다음과 같이 출판되었습니다. 자연소재 (Impact Factor: 38.5) 10월.