슈퍼 아이스 만드는 조건 찾았다
슈퍼 아이스 만드는 조건 찾았다
  • 함예솔
  • 승인 2018.11.13 13:10
  • 조회수 4090
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Ice VII가 지구 속에도 있다고? 출처: 로렌스 리버모어 국립연구소
Ice VII가 지구 속에도 있다고? 출처: 로렌스 리버모어 국립연구소

이웃님들 'Ice VII'라는 얼음을 들어보신 적 있으신가요? 이 얼음은 표준기압보다 10만 배 이상의 강한 고압과 고온의 환경에서 형성되는 특이한 얼음이라고 하는데요. 적절한 조건이 갖춰지면 단 몇 시간 만에 전 세계의 바다를 얼려버릴 수도 있다고 합니다. 

 

온도, 압력에 따른 물의 상태를 나타낸 상평형그림(phase diagram). 출처: Wikimedia Commons
온도, 압력에 따른 물의 상태를 나타낸 상평형그림(phase diagram) 출처: Wikimedia Commons

위의 표는 온도, 압력에 따른 물의 상태를 나타낸 상평형그림(phase diagram)입니다. 가령, 일반적인 표준기압에서 만들어지는 눈송이의 육각형의 결정모양은 ‘Ice I’의 형태입니다. 하지만, 높은 압력 조건하에서는 분자의 배열이 달라지며 형태가 바뀔 수 있습니다. 만약 물이 표준기압의 10만 배 이상의 고압 환경에 놓였을 땐, Ice VII 얼음이 만들어지는 거죠. 

 

Ice VII은 물이 고체화될 때 취할 수 있는 많은 형태 중 하나입니다. <화학물리학저널(The Journal of Chemical Physics)>에서 나온 한 연구에 따르면 얼음은 약 300개가 넘는 분자 구조를 가지고 있다고 합니다(얼음 종류 "300개 넘는다").

 

다이아몬드 안에 들어있었다! 출처:유튜브/The Science Channel
다이아몬드 안에 들어있었다! 출처:유튜브/The Science Channel

과학자들은 이 얼음의 존재에 대해 이미 알고 있었습니다. 그리고 과학자들이 이 얼음을 실제로 처음 발견한 곳은 지하 깊은 곳에서 지표로 올라온 다이아몬드에서였습니다. Ice VII을 가지고 있는 다이아몬드는 약 410~660km 깊이의 맨틀 전이대(transition zone)에서 지표로 올라왔습니다.

 

Ice VII는 물이나 구름을 형성하는 얼음 종류와는 다른 결정구조를 가지고 있었습니다. 그러나 과학자들은 이 얼음이 어떻게 형성되는지 알지 못했습니다. 그런데 Ice VII 얼음이 어떻게 형성되는지 그 비밀이 밝혀졌습니다. <Physical Review Letters>에 게재된 연구에 따르면 Ice VII은 대기압의 약 2만7백배 더 높은 압력과 약 4.9℃에서 형성되기 시작합니다. 또한, 이 얼음은 시속 1,610km/h가 넘는 속도에서 형성될 수 있다고 합니다. 이는 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립연구소 연구원이 고안한 수학모델을 기반으로 연구한 결과입니다.

 

ice VII의 water molecules ordering. 출처: 로렌스 리버모어 국립연구소
ice VII의 water molecules ordering. 출처: 로렌스 리버모어 국립연구소

과학자들은 Ice VII가 표준기압의 약 10만 배 더 강한 고압과 고온 환경에서 형성될 수 있다는 사실은 알고 있었지만, 이를 재현하기 위한 실험은 쉽지 않았습니다. 실험에서는 얼음이 한 번에 균질하게 형성되지 않고, 표면에서부터 이질적으로 형성됐기 때문입니다.

 

그런데 이 새로운 연구에 따르면 액체인 물과 얼음 결정이 형성되는 온도의 차이와 압력의 특정 티핑 포인트가 Ice VII를 만든다는 사실을 알아냈습니다. Ice VII 얼음은 원자 구조가 달랐는데요. 일반적으로 원자 구조는 액체의 물이 고체 얼음으로 변하는 데 결정적인 영향을 미칩니다. 연구팀은 Ice VII가 물에서 나노초(10억분의 1초)의 속도로 퍼지기 전에, 분자클러스터(molecule clusters) 형태로 만들어진다는 점을 알아냈습니다. 

 

외계 생명체에게 치명적일지도.. 출처: fotolia
외계 생명체에게 치명적일지도.. 출처: fotolia

이 연구를 통해, 과학자들은 실험 데이터에 맞는 수학 모델을 만들 수 있었습니다. 따라서 Ice VII기 분자 수준에서 어떻게 형성되는지 밝힌 이 연구는 향후 기억장치, 물질 합성 등의 다른 연구 분야에도 적용할 수 있을 것이라고 합니다.

 

또한, 이 연구는 외계 생명체를 찾는데도 유용하게 쓰일 수 있다고 합니다. 왜냐하면 물은 생명체 존재 여부를 나타내는 핵심 지표로 사용되지만, 만약 물이 Ice VII을 만들어낼 만큼 충분한 압력이 가하는 조건에 있다면, 그곳에서는 아마도 생명체를 찾기 어렵기 때문입니다.

 

##참고자료##


Myint, Philip C., et al. "Nanosecond freezing of water at high pressures: nucleation and growth near the metastability limit." Physical review letters 121.15 (2018): 155701.
 



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