새로운 종류의 비정질 물 얼음
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-02-03 11:17:36
3'50" 읽기
- 일반 물 얼음을 영하 200도까지 식히고 부수면 완전히 새로운 것이 생성
- 새로운 얼음 모양은 물 분자로 만든 유리와 같다.
- 재결정화는 충분한 열을 방출하여 얼음 떨림, 얼음 표면의 움직임, 심지어 물 얼음의 국부적 녹는 현상을 일으킬 수 있다. 특정 형태의 극저온 화산 활동도 이 얼음에 의해 촉진될 수 있다.
물은 평범하면서도 신비하다. H2O 분자에는 몇 가지 특성이 있기 때문이다. 밀도 이상 현상과 자가 해리 능력 외에도 여기에는 약 20가지의 서로 다른 수빙 변종이 포함된다. 결정 격자는 압력과 온도에 따라 다른 구조를 취한다. 스펙트럼 범위는 눈 결정의 정상적인 육각형 얼음에서 정사각형 및 직육면체 격자, 새장과 같은 구조에 이른다.
밀도 차이의 미스터리
훨씬 더 이국적인 것은 무정형 얼음이다. 이것은 물이 초저온 온도로 너무 빨리 냉각되어 분자가 정렬된 격자를 형성할 시간이 없을 때 발생한다. 그 결과 무질서한 비정질 형태의 얼음이 생성되었으며, 현재까지 고밀도 무정형 얼음(HDA)과 저밀도 무정형 얼음(LDA)의 두 가지 변형이 알려져 있다. 둘 다 지구에서는 자연적으로 발생하지 않지만 태양계의 얼음 행성과 얼음 달에서는 흔히 볼 수 있다.
그러나 이상하게도 "이 두 가지 비정질 형태의 물 얼음 사이에는 엄청난 밀도 차이가 있다"고 UCL(University College London)의 수석 저자인 크리스토프 잘츠만(Christoph Salzmann)은 설명했다. "일반적인 통념에 따르면 이 틈에는 중간 형태가 존재하지 않는다." 정상적인 액체 상태의 물이 정확히 이 틈에 밀도를 가지고 있기 때문에 이것은 더욱 이상하다. 이것은 이미 액체 상태의 물이 밀도가 다른 두 단계로 존재할 수 있는지 여부에 대한 추측으로 이어졌다.
초저온 칵테일 셰이커의 발견
이제 밀도 차이에 무언가가 있음이 밝혀졌다. Salzmann과 그의 팀은 세 번째 형태의 무정형 물 얼음을 발견했다. 밀도는 정확히 HDA와 LDA 얼음 사이에 있으며 놀랍도록 쉽게 만들 수 있다. 이를 위해 그들은 스테인리스 스틸 볼과 함께 약간의 정상적인 결정질 얼음으로 용기를 채우고 액체 질소를 사용하여 전체를 영하 200도까지 냉각했다.
그런 다음 그들은 매우 차가운 칵테일 셰이커처럼 용기를 흔들기 시작했다. 런던 대학교(University College London)의 수석 저자인 Alexander Rosu-Finsen은 "우리는 얼음을 미친 듯이 흔들어 결정 구조를 연마했다"며 "우리는 더 작은 얼음 결정 조각을 만드는 대신에 완전히 새로운 것이 만들어졌다는 것을 발견했다"고 설명했다.
새로운 얼음 모양은 물 분자로 만든 유리와 같다.
더 자세히 분석한 결과 정상적인 얼음이 부서진 결과 이전에 알려지지 않은 새로운 형태의 무정형 물 얼음이 형성되었다는 것이 밝혀졌다. "이 비정질 얼음은 구조적으로 독특하다"고 연구원들은 보고했다. 단단한 유리 같은 구조로 인해 H2O 분자는 액체 상태의 물처럼 무질서하다. 그리고 이전에 알려진 무정형 수철과 달리 밀도는 액체 상태의 밀도와 거의 일치한다.
따라서 Salzmann과 그의 팀은 완전히 새로운 무정형 수빙 변종을 발견했으며, 이는 이전에 알려진 두 변종의 밀도 차이에 정확하게 위치한다. 중밀도 무정형 얼음(MDA)이라고 불리는 이 상태는 HDA 또는 LDA 얼음보다 액체 물의 무질서한 구조와 더 유사하다. 이것은 거의 액체 상태의 물에서 분자의 무질서한 움직임의 얼어붙은 스냅샷과 같다. 따라서 물 분자로 만들어진 실제 유리다. "이것은 예상치 못한 매우 흥미로운 발견이다"고 UCL의 공동 저자인 Andrea Sella는 말했다.
엔셀라두스(Enceladus)의 얼음 역학
이 새로운 무정형 물 얼음은 단순히 차가운 온도에서 갈아서 만들어지기 때문에 많은 얼음 천체에서 지배적인 얼음 형태가 될 수 있다. 토성의 위성 엔셀라두스나 목성의 위성 가니메데와 유로파와 같은 얼음 위성은 내부와 지각을 통해 끊임없이 흔들리는 행성의 기조력에 노출된다. 이것은 결정질 수빙을 부수고 중간 밀도의 무정형 얼음을 만들 수 있다.
"이것이 사실이라면 MDA 얼음의 재결정화 동안 방출된 열은 그러한 얼음 천체의 구조에서 중요한 역할을 할 수 있다"고 연구자들은 설명했다. 무정형 MDA 얼음을 영하 133도 이상으로 가열하면 이전에 무질서했던 물 분자가 다시 정렬된 결정 격자를 형성하기 때문이다. 실험에서 알 수 있듯이 액체 상태의 물이 정상적으로 어는 경우보다 훨씬 더 많은 결정화 열이 방출된다.
따라서 태양계의 얼음 위성에서 이 재결정화는 충분한 열을 방출하여 얼음 떨림, 얼음 표면의 움직임, 심지어 물 얼음의 국부적 녹는 현상을 일으킬 수 있다. 특정 형태의 극저온 화산 활동도 이 얼음에 의해 촉진될 수 있다.
액체 상태의 물에도 해당
새로운 형태의 물 얼음의 발견은 기초 연구를 훨씬 뛰어넘는 의미가 될 수 있다. "물은 모든 생명의 기초를 형성하지만 과학적 관점에서 여전히 잘 이해되지 않고 있다"고 며 "우리의 발견은 마침내 물의 특이성과 이상을 설명하는 출발점이 될 수 있다"고 살즈만이 말했다. 이 중간 비정질 얼음 형태의 존재를 고려하여 기존의 물 거동 모델을 이제 재검토해야 한다.
"우리의 발견은 또한 액체 물의 성질에 대한 새로운 질문을 제기한다"고 케임브리지 대학의 공저자 마이클 데이비스(Michael Davies)는 말했다. MDA 얼음은 액체 상태의 물이 두 개의 분리된 조밀한 상이 혼합되어 있다는 가설과 모순되기 때문이다. 이전에 가정한 밀도 차이는 동결 상태에서는 존재하지 않기 때문에 두 가지 액체 밀도 상태로 설명할 필요도 없다고 연구팀은 말했다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.abq2105)
출처: University College London, University of Cambridge
- 일반 물 얼음을 영하 200도까지 식히고 부수면 완전히 새로운 것이 생성
- 새로운 얼음 모양은 물 분자로 만든 유리와 같다.
- 재결정화는 충분한 열을 방출하여 얼음 떨림, 얼음 표면의 움직임, 심지어 물 얼음의 국부적 녹는 현상을 일으킬 수 있다. 특정 형태의 극저온 화산 활동도 이 얼음에 의해 촉진될 수 있다.
새로운 종류의 비정질 물 얼음
유리와 같은 구조를 가진 새로 발견된 얼음 형태는 다양한 물 밀도의 수수께끼를 풀 수 있다.
놀라운 발견:
일반 물 얼음을 영하 200도까지 식히고 부수면 완전히 새로운 것이 생성된다. 연구자들이 "Science"에 보고한 바와 같이 이전에는 알려지지 않은 형태의 무정형 얼음이다. 이 얼음 변종은 결정체가 아니라 유리와 같으며 액체 물의 무질서한 구조와 유사하다. 흥미진진하다. 이 형태의 얼음은 이미 알려진 두 가지 비정질 형태의 얼음 사이의 밀도 차이를 좁히고 액체 상태의 물에 대한 새로운 시각을 제시한다.
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| ▲ 일반 물얼음을 영하 200도까지 식힌 후 이 스테인리스 볼과 함께 흔들면 부서진 얼음 결정이 완전히 새로운 형태의 무정형 얼음을 만들어낸다. © Christoph Salzmann |
물은 평범하면서도 신비하다. H2O 분자에는 몇 가지 특성이 있기 때문이다. 밀도 이상 현상과 자가 해리 능력 외에도 여기에는 약 20가지의 서로 다른 수빙 변종이 포함된다. 결정 격자는 압력과 온도에 따라 다른 구조를 취한다. 스펙트럼 범위는 눈 결정의 정상적인 육각형 얼음에서 정사각형 및 직육면체 격자, 새장과 같은 구조에 이른다.
밀도 차이의 미스터리
훨씬 더 이국적인 것은 무정형 얼음이다. 이것은 물이 초저온 온도로 너무 빨리 냉각되어 분자가 정렬된 격자를 형성할 시간이 없을 때 발생한다. 그 결과 무질서한 비정질 형태의 얼음이 생성되었으며, 현재까지 고밀도 무정형 얼음(HDA)과 저밀도 무정형 얼음(LDA)의 두 가지 변형이 알려져 있다. 둘 다 지구에서는 자연적으로 발생하지 않지만 태양계의 얼음 행성과 얼음 달에서는 흔히 볼 수 있다.
그러나 이상하게도 "이 두 가지 비정질 형태의 물 얼음 사이에는 엄청난 밀도 차이가 있다"고 UCL(University College London)의 수석 저자인 크리스토프 잘츠만(Christoph Salzmann)은 설명했다. "일반적인 통념에 따르면 이 틈에는 중간 형태가 존재하지 않는다." 정상적인 액체 상태의 물이 정확히 이 틈에 밀도를 가지고 있기 때문에 이것은 더욱 이상하다. 이것은 이미 액체 상태의 물이 밀도가 다른 두 단계로 존재할 수 있는지 여부에 대한 추측으로 이어졌다.
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| ▲ 정상적인 결정체 얼음(왼쪽)과 액체 상태의 물의 격자 구조. © University of Cambridge |
초저온 칵테일 셰이커의 발견
이제 밀도 차이에 무언가가 있음이 밝혀졌다. Salzmann과 그의 팀은 세 번째 형태의 무정형 물 얼음을 발견했다. 밀도는 정확히 HDA와 LDA 얼음 사이에 있으며 놀랍도록 쉽게 만들 수 있다. 이를 위해 그들은 스테인리스 스틸 볼과 함께 약간의 정상적인 결정질 얼음으로 용기를 채우고 액체 질소를 사용하여 전체를 영하 200도까지 냉각했다.
그런 다음 그들은 매우 차가운 칵테일 셰이커처럼 용기를 흔들기 시작했다. 런던 대학교(University College London)의 수석 저자인 Alexander Rosu-Finsen은 "우리는 얼음을 미친 듯이 흔들어 결정 구조를 연마했다"며 "우리는 더 작은 얼음 결정 조각을 만드는 대신에 완전히 새로운 것이 만들어졌다는 것을 발견했다"고 설명했다.
새로운 얼음 모양은 물 분자로 만든 유리와 같다.
더 자세히 분석한 결과 정상적인 얼음이 부서진 결과 이전에 알려지지 않은 새로운 형태의 무정형 물 얼음이 형성되었다는 것이 밝혀졌다. "이 비정질 얼음은 구조적으로 독특하다"고 연구원들은 보고했다. 단단한 유리 같은 구조로 인해 H2O 분자는 액체 상태의 물처럼 무질서하다. 그리고 이전에 알려진 무정형 수철과 달리 밀도는 액체 상태의 밀도와 거의 일치한다.
따라서 Salzmann과 그의 팀은 완전히 새로운 무정형 수빙 변종을 발견했으며, 이는 이전에 알려진 두 변종의 밀도 차이에 정확하게 위치한다. 중밀도 무정형 얼음(MDA)이라고 불리는 이 상태는 HDA 또는 LDA 얼음보다 액체 물의 무질서한 구조와 더 유사하다. 이것은 거의 액체 상태의 물에서 분자의 무질서한 움직임의 얼어붙은 스냅샷과 같다. 따라서 물 분자로 만들어진 실제 유리다. "이것은 예상치 못한 매우 흥미로운 발견이다"고 UCL의 공동 저자인 Andrea Sella는 말했다.
엔셀라두스(Enceladus)의 얼음 역학
이 새로운 무정형 물 얼음은 단순히 차가운 온도에서 갈아서 만들어지기 때문에 많은 얼음 천체에서 지배적인 얼음 형태가 될 수 있다. 토성의 위성 엔셀라두스나 목성의 위성 가니메데와 유로파와 같은 얼음 위성은 내부와 지각을 통해 끊임없이 흔들리는 행성의 기조력에 노출된다. 이것은 결정질 수빙을 부수고 중간 밀도의 무정형 얼음을 만들 수 있다.
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| ▲ 토성의 위성 엔셀라두스의 얼음 간헐천 ©NASA/JPL |
"이것이 사실이라면 MDA 얼음의 재결정화 동안 방출된 열은 그러한 얼음 천체의 구조에서 중요한 역할을 할 수 있다"고 연구자들은 설명했다. 무정형 MDA 얼음을 영하 133도 이상으로 가열하면 이전에 무질서했던 물 분자가 다시 정렬된 결정 격자를 형성하기 때문이다. 실험에서 알 수 있듯이 액체 상태의 물이 정상적으로 어는 경우보다 훨씬 더 많은 결정화 열이 방출된다.
따라서 태양계의 얼음 위성에서 이 재결정화는 충분한 열을 방출하여 얼음 떨림, 얼음 표면의 움직임, 심지어 물 얼음의 국부적 녹는 현상을 일으킬 수 있다. 특정 형태의 극저온 화산 활동도 이 얼음에 의해 촉진될 수 있다.
액체 상태의 물에도 해당
새로운 형태의 물 얼음의 발견은 기초 연구를 훨씬 뛰어넘는 의미가 될 수 있다. "물은 모든 생명의 기초를 형성하지만 과학적 관점에서 여전히 잘 이해되지 않고 있다"고 며 "우리의 발견은 마침내 물의 특이성과 이상을 설명하는 출발점이 될 수 있다"고 살즈만이 말했다. 이 중간 비정질 얼음 형태의 존재를 고려하여 기존의 물 거동 모델을 이제 재검토해야 한다.
"우리의 발견은 또한 액체 물의 성질에 대한 새로운 질문을 제기한다"고 케임브리지 대학의 공저자 마이클 데이비스(Michael Davies)는 말했다. MDA 얼음은 액체 상태의 물이 두 개의 분리된 조밀한 상이 혼합되어 있다는 가설과 모순되기 때문이다. 이전에 가정한 밀도 차이는 동결 상태에서는 존재하지 않기 때문에 두 가지 액체 밀도 상태로 설명할 필요도 없다고 연구팀은 말했다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.abq2105)
출처: University College London, University of Cambridge
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