유럽의 대형 X선 레이저 실험에서 실온에서도 고체 상태로 존재하는 완전히 새로운 형태의 신종 얼음 ice XXI(아이스 21)이 발견됐다. 

한국표준과학연구원(KRISS) 등 연구팀은 해당 얼음을 ice XXI(아이스 21)로 명명하고, 이 얼음이 4각형 결정 구조(tetragonal crystal) 로 구성되며 단위구조에 무려 152개의 물 분자가 반복되는 독특한 특성을 지닌다고 밝혔다.

연구진은 독일의 유럽 X선 자유전자레이저(European XFEL) 시설에서 다이아몬드 앤빌 셀(DAC) 을 활용해 물을 최대 약 2기가파스칼(gPa) 수준까지 빠르게 압축하고 이후 완만하게 감압하면서, 초당 백만 장 이상의 X선 이미지를 연속 촬영해 결정 구조 변화를 추적했다. 이 과정을 수백 차례 반복한 끝에 아이스 XXI의 존재가 확인됐다.

이 같은 발견은 얼음의 다양한 결정형이 아직 더 존재할 가능성을 시사하는 것으로, 특히 태양계의 얼음 위성이나 극저온 환경의 천체에서 아직 알려지지 않은 얼음 상이 존재할 가능성이 열렸다는 점에서 의미가 깊다. 

해당 연구는 학술지 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 게재됐다.

실온 얼음의 발견이 남긴 과학적 함의

얼음이라 하면 흔히 얼음결정(ice I)을 떠올리지만, 물은 온도·압력 조건에 따라 현재까지 20여 개의 얼음 상이 알려져 있다. 이번 ice XXI의 발견은 그 경계선을 또 한 차례 확장한 성과다.

한국표준과학연구원 연구팀은 유럽 XFEL 시설을 활용해 물을 극한 압력 환경에 노출한 뒤 감압하는 방식으로 실험을 수행했다. 다이아몬드 앤빌 셀을 통해 물을 최대 약 2gPa(지구 대기압 대비 약 2만 배)까지 압축하고, 천천히 감압하는 과정을 반복하며 물의 결정 전이 경로를 정밀하게 관찰했다. 이 과정에서 ice XXI라는 과도 준안정(metastable) 구조가 확인된 것이다.

아이스 XXI(ice XXI)는 4각형 구조의 결정 격자를 갖고 있으며, 하나의 반복 단위(unit cell)에 152개의 물 분자가 포함된다. 이는 기존에 알려진 얼음 상들과는 다른 규모와 대칭성을 지니는 구조다. 또한 ice XXI는 일종의 과도 상(transition intermediate)으로 판단되며, 얼음 VI 상이 형성되는 경로 중 하나의 숨겨진 전이(intermediate pathway)로 존재하는 것으로 보인다.

한국표준과학연구원 물리학자 이근우 박사는 "유럽 XFEL의 독특한 X선 펄스를 활용해, 동적 다이아몬드 압착 셀을 통해 1000회 이상 급속히 압축 및 감압된 H₂O에서 다중 결정화 경로를 규명했다"고 밝혔다.

이 발견은 과학적으로 다음과 같은 의의를 지닌다.

△ 얼음 상 구조 다양성 확대

지금까지 알려진 얼음 상보다 더 복잡한 구조가 존재할 수 있음을 보여준다. 특히 준안정 상태의 결정 구조가 존재할 수 있다는 점은 얼음 전이 과정을 이해하는 데 중요한 단서다.

△ 천체·우주 환경과의 연계

얼음 위성이 존재하는 태양계 외곽 천체들-예를 들어 목성의 위성, 토성의 위성, 혹은 혜성의 얼음층-은 극저온·고압 환경이 존재할 수 있다. 이러한 환경에서는 ice XXI 같은 미지의 얼음 상이 자연적으로 형성될 가능성이 있다. 따라서 이번 발견은 천체 물리·우주 과학 분야에도 영향력을 미친다.

△ 물-얼음 상전이 경로 연구의 진전

얼음이 형성되는 경로, 즉 물 분자들이 어떻게 배열을 바꾸며 고체 상태로 전이하는지가 결정 과학 및 응집물리학의 핵심 과제 중 하나다. 

이번 실험은 압축과 감압을 매우 빠른 시간 단위로 반복하면서 그 미세한 경로를 X선으로 실시간 기록한 점에서 기술적으로 진보한 접근법이다.

△ 신소재 및 극한 물질 연구의 가능성

복잡한 결정 구조를 갖는 얼음 상은 다른 물성(예: 열전도성, 비열, 강도 등)에서 특이한 특성을 보일 가능성이 있다. 이는 극한 환경 소재나 고압 물질 연구에 있어서도 새로운 응용 지평을 제공할 여지다.

△ 이론·모델 정교화 압력

기존의 이론 모델이나 시뮬레이션은 일정한 온도·압력 범위에서 알려진 얼음 상 전환만을 고려해 왔다. ice XXI의 존재는 이론 모델을 더욱 확장하고, 미지 결정형을 예측할 수 있는 모델링에 대한 요구를 강화한다.

다만, 일상적인 냉동고나 가정 환경에서 ice XXI를 구현하는 것은 여전히 불가능하다. 매우 높은 압력과 빠른 압축·감압 과정을 요구하며, 안정화되지 않는 준안정 상태이기 때문이다.

이번 발견은 국제 공동 연구의 결과로, 향후 추가 실험을 통해 ice XXI의 안정 영역을 규명하고, 또 다른 미지의 얼음 상을 찾기 위한 촉매가 될 전망이다. 물과 얼음, 그리고 그 변이형에 내재한 복잡성과 아름다움이 다시 한번 과학계에 새로운 질문을 던지고 있다.