물리학계, 가장 복잡한 결정 구조를 가진 신규 얼음 발견

주장물리학계는 물이 극한의 압력과 온도 조건에서 기존에 알려진 것보다 훨씬 다양하고 복잡한 결정 구조를 형성할 수 있음을 입증했습니다. 이는 물이 단순히 냉동실이나 빙하에 존재하는 물질을 넘어, 우주 환경에 따라 수만 가지 형태로 변할 수 있는 역동적인 물질임을 시사합니다.

팩트과학계는 1900년 이후 20가지 이상의 얼음 상을 관찰했으며, 최근 1년 동안에는 그중 가장 복잡한 구조를 가진 새로운 얼음 형태 3가지를 추가로 확인했습니다. 특히 한국표준과학연구원(KRISS) 연구진은 152개의 분자가 반복되는 복잡한 구조의 '얼음 XXI'를 발견하는 성과를 거두었습니다.

교차검증컴퓨터 시뮬레이션은 7만 5천 개 이상의 얼음 상이 존재할 수 있다고 예측하지만, 모든 구조가 자연 상태에서 실제로 형성되지는 않습니다. 시뮬레이션 기반의 예측은 수학적 가능성을 제시할 뿐이며, 실제 실험을 통해 물리적 안정성과 존재 여부를 검증하는 과정이 필수적입니다.

팩트연구진은 다이아몬드 압착 장치를 사용하여 물에 극한의 압력을 가한 뒤, 독일의 유럽 X선 자유전자 레이저 시설(European XFEL)을 통해 고출력 X선으로 얼음의 결정 구조를 분석했습니다. 이 과정에서 얼음 XXI는 기존 시뮬레이션의 예측 범위를 넘어선 거대한 반복 단위를 가진 것으로 확인되었습니다.

주장이번 발견은 물의 상전이가 가장 낮은 에너지 상태로 즉시 이동하는 것이 아니라, 중간 단계인 준안정 상태를 거쳐 단계적으로 일어난다는 '오스트발트 단계 규칙'을 뒷받침합니다. 이는 물이 압력 변화에 따라 예상치 못한 복잡한 경로를 통해 상변화를 일으킬 수 있음을 보여줍니다.

팩트오스트발트 단계 규칙은 독일의 물리화학자 빌헬름 오스트발트가 제안한 이론으로, 시스템이 가장 안정적인 상태로 바로 가기보다 도달하기 쉬운 중간 단계의 상태를 거친다는 원리입니다. 이번 실험에서 물은 압력을 가했을 때 바로 안정적인 얼음 VI로 변하지 않고, 얼음 XXI를 거쳐 얼음 VII로 전이되는 과정을 보였습니다.

교차검증새로운 얼음 구조를 발견하는 과정에서 연구진은 초기 데이터에서 구조가 붕괴되는 현상을 관찰하고 이를 오염으로 의심하기도 했습니다. 하지만 반복적인 실험과 정밀한 분석을 통해 이것이 단순한 오류가 아닌 물의 고유한 상전이 특성임을 밝혀냈습니다.

팩트이번 연구에 참여한 김용재 박사는 과거 한국표준과학연구원(KRISS) 재직 시절 초기 관찰을 수행했으며, 이후 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)로 자리를 옮겨 연구를 이어갔습니다. 연구진은 오카야마 대학의 시뮬레이션 연구와 협력하여 아직 발견되지 않은 추가적인 얼음 상의 존재 가능성도 확인했습니다.

주장물의 분자 구조는 산소 원자 하나에 두 개의 수소 원자가 결합하고 두 쌍의 자유 전자가 뻗어 있는 형태를 띠고 있습니다. 이러한 구조적 특성 덕분에 물은 압력에 따라 다양한 기하학적 패턴을 형성할 수 있으며, 이는 지구 밖 행성이나 혜성과 같은 극한 환경에서 물의 거동을 이해하는 데 중요한 단서가 됩니다.

출처퀀타 매거진(Quanta Magazine)의 보도 내용을 교차 검증했습니다. (https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-the-most-complex-forms-of-ice-yet-20260427/)