초고압 극한환경에서 새로운 얼음 찾았다…

표준연, ‘얼음 XXI’ 세계 최초 규명

- 상온에서 2만 기압 이상으로 압축된 물의 결정화 과정 마이크로초 단위로 관측 -

- 새로운 결정화 경로와 상온 얼음 XXI 발견… 우주 생명 탐사·신소재 개발 새 지평 열어 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 상온에서 2만 기압(2 GPa)이 넘는 초고압 상태의 물이 얼음으로 변하는 과정을 마이크로초(μs, 100만분의 1초) 단위로 관측하는 데 성공했다. 그 결과, 기존에 알려지지 않았던 물의 결정화 경로와 21번째 결정상인 ‘얼음 XXI(Ice XXI)’를 세계 최초로 발견했다.

▲ KRISS 김민주 박사후연구원(좌)과 이윤희 책임연구원(우)이 동적 다이아몬드 앤빌셀 장치를 통해 구현한 초과압수의 결정화 과정을 관찰하고 있다.

0도씨(℃) 이하에서 물이 결정화되면서 생기는 얼음은 상온이나 심지어 물이 끓는 고온에서도 생길 수 있다. 액체가 고체로 변하는 결정화 현상은 온도뿐만 아니라 ‘압력’에도 영향을 받기 때문이다. 상온에서 물은 ‘결정화 압력’인 9,600기압(0.96 GPa) 이상의 압력을 받으면 얼음으로 상(相, Ice VI)이 변한다.

 

물이 얼음으로 변할 때, 물 분자 간의 수소결합 네트워크가 온도와 압력에 따라 복잡하게 왜곡, 재배열되면서 다양한 얼음상을 동반하는 결정화 과정이 나타난다. 물과 얼음의 복잡한 상전이 및 구조형성 과정을 이해하고, 그 과정을 극한 수준의 압력과 온도로 제어하면 지구상에 없던 신소재를 만들어 낼 수 있다.

▲ 넓은 온도 및 압력 구간에 걸쳐 존재하는 다양한 물과 얼음의 상태도,

파란색으로 표기된 곳이 이번에 새롭게 발견된 상온 초고압 얼음 ‘Ice XXI’의 존재 위치

 

▲ 한 세기 이상 진행되고 있는 Ice I부터 Ice XX까지 얼음상 발견의 역사

세계 각국의 연구자들은 한 세기 이상 온도와 압력 조건을 조절하여 20가지의 결정질 얼음상*을 발견해 왔다. 얼음상을 발견한 온도와 압력의 범위는 각 2,000 켈빈(K) 이상과 100만 기압(100 GPa) 이상까지 넓게 형성되어 있다. 그중 대기압(0 GPa)부터 2만 기압 사이의 영역은 물의 상전이가 가장 복잡하게 생기는 핵심 영역으로 10개 이상의 얼음상이 밀집돼 있다.

 

* Ice I부터 Ice XX까지 알려져 있었으며, Ice I의 경우 육각링 구조의 Ice Ih와 입방구조의 Ice Ic가 존재한다.

 

KRISS 우주극한측정그룹은 자체 개발한 ‘동적 다이아몬드 앤빌 셀(dDAC)*’ 장비를 이용해 상온에서 2만 기압 이상까지 물이 액체로 존재하는 즉, 결정화 압력의 200%가 넘는 초과압(Supercompression) 상태를 형성하는 데 성공했다.

 

* 동적 다이아몬드 앤빌 셀(dynamic Diamond Anvil Cell, dDAC): 머리카락 굵기의 미세한 구멍이 뚫린 금속 개스킷에 시료(물)를 넣고 한 쌍의 다이아몬드로 막은 후, 미세 변위제어 장치(피에조 액츄에이터)를 이용해 구멍 내에 초고압을 발생하는 장치. 액츄에이터를 이용하기 때문에 동적, 연속적인 압력의 증감은 물론 압력의 원격제어와 시료의 광학적·분광학적 동시 관측이 가능하다.

▲ KRISS 연구진이 초과압 상태를 구현하기 위해 사용한 동적 다이아몬드 앤빌 셀 장치 내부. 한 쌍의 다이아몬드 앤빌이 보인다.

 

종래의 다이아몬드 앤빌 셀(DAC) 장치는 연구자가 수동으로 DAC 조립볼트의 체결정도를 달리하여 압력을 증가시키기 때문에, 압력을 가하는 과정에서 결정화가 금세 이뤄져 결정화 압력을 크게 뛰어넘는 과압을 형성하기 힘들었다. 이에 비해 KRISS가 개발한 dDAC은 가압 시 충격을 최소화하는 미세 변위제어 장치를 적용하고, 기존 수십 초의 압축 시간을 10 밀리초(ms, 1,000분의 1초)까지 단축했다. 이로써 물이 얼음으로 바뀌어야 하는 결정화 압력을 크게 넘어선 2만 기압 이상에서도 액체 물이 준안정 상태로 유지되는 초과압수를 형성했다.

▲ KRISS 연구진(왼쪽부터 이윤희 책임연구원, 김민주 박사후연구원, 이근우 책임연구원, 김진균 박사후연구원)과 유로피언 XFEL 빔라인 운용자(Dr. Cornelius Strohm)가 이번 연구에 활용된 IC2 고진공 X선 챔버 앞에서 기념 촬영을 하고 있다.

 

KRISS 연구팀은 세계 최대 규모의 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(Ice XXI)’를 세계 최초로 확인했다.

▲ DAC 내 얼음 XXI의 단결정 이미지(좌)와 단결정 회절 패턴(우)

 

상온에서 형성된 얼음 XXI는 기존 알려진 얼음상에 비해 결정구조의 최소 반복 단위인 단위포(Unit Cell)가 압도적으로 크고, 바닥 면의 두 변의 길이가 같으면서 납작한 직육면체 형상의 결정 구조를 가진 것으로 나타났다. 연구진은 얼음 XXI 단위포 내의 물 분자 위치정보를 분석해 구조를 규명했다.

▲ KRISS 연구진이 동적 다이아몬드 앤빌셀 장치를 통해 구현한 초과압수의 결정화 과정을 관찰하고 있다. (왼쪽부터 김진균 박사후연구원, 이윤희 책임연구원, 김민주 박사후연구원)

 

KRISS 우주극한측정그룹 이윤희 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”라고 말했다.

 

우주극한측정그룹 이근우 책임연구원은 “자체 개발한 dDAC 기술과 XFEL을 융합해 기존 장비로는 접근 불가능했던 찰나의 순간을 포착할 수 있었다”라며 “ 초고압과 같은 미지의 극한환경에 대한 지속적인 연구 노력이 과학의 새로운 지평을 열어줄 것”이라고 기대감을 밝혔다.

▲ KRISS 우주극한측정그룹 초고압 연구팀

(왼쪽부터 이윤희 책임연구원, 김민주 박사후연구원, 김진균 박사후연구원, 이근우 책임연구원)

이번 연구성과는 국가과학기술연구회 4000 K급 로켓엔진용 초고온 소재 및 물성측정기술 개발 사업의 지원을 받았으며, 세계적인 학술지인 Nature Materials(IF: 38.5)에 10월 게재됐다.