얼음은 냉동고나 빙하에서 찾을 수 있는 것보다 더 많은 형태로 나옵니다. 1900년 이래로 과학자들은 20개 이상의 얼음 단계를 관찰해 왔으며, 그 중 대부분은 극한 조건에서 형성되었습니다. 점점 늘어나는 목록에는 뜨거운 얼음은 물론 전기를 전도하는 얼음도 포함됩니다.
얼음은 고체이고 결정질인 물의 모든 단계에 대한 이름으로, 반복되는 분자 구조를 가지고 있음을 의미합니다. 지난 10년 동안 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수만 가지의 가능한 얼음 형태가 예측되었습니다. 지구에서는 흔하지 않지만, 차갑고 무정형인 혜성 꼬리부터 뜨겁고 부서지는 얼음 행성의 핵에 이르기까지 지구 밖의 환경에도 이국적인 얼음이 존재할 수 있습니다.
물리학자들은 향상된 실험 기술을 사용하여 물을 테스트하면서 계속해서 놀라운 사실을 발견합니다. 캘리포니아에 있는 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 연구원인 마리우스 밀로(Marius Millot)는 "물을 취하고 압축하는 방식(적절한 시간 단위로 조금 더 빠르게, 조금 더 느리게, 위아래로)을 수행하면 완전히 예상치 못한 동작을 발견할 수 있습니다"라고 말했습니다.
과학자들은 오래된 가정을 버리고 새로운 기술을 적용하여 지난 해에 지금까지 본 것 중 가장 복잡한 두 가지 얼음 단계를 포함하여 세 가지 새로운 종류의 얼음을 발견했습니다. 케임브리지 대학의 물리학자인 크리스 피커드(Chris Pickard)는 “지금은 정말 놀라운 시기인 것 같다”고 말했습니다. "그들은 실제로 이러한 구조를 훨씬 더 많이 발견하고 있습니다."
스페이스 오디티
물의 모양은 매우 다양합니다. 분자 구조는 다양한 구성으로 조립될 수 있습니다.
각각의 물 분자는 전자기력에 의해 4개의 팔이 떨어져 있는 중앙 단위처럼 보입니다. 중심 단위는 산소 원자이다. 두 개의 수소 원자가 결합되어 있고, 여분의 팔다리처럼 튀어나온 두 쌍의 남은 자유 전자가 있습니다.
Mark Belan/Quanta 매거진
가장 일반적인 형태의 얼음에서는 이러한 빌딩 블록이 결합하여 새장과 같은 육각형 구조를 형성합니다. 이러한 배열의 넓은 공간으로 인해 일반적인 얼음은 액체 물보다 밀도가 낮아집니다. 이것이 바로 얼음이 뜨는 이유이며, 수역이 위에서 아래로 얼어 수중 생물이 겨울에 살아남을 수 있는 이유입니다.
하지만 물에 압력을 가하면 그 모양이 압축되어 겉보기에 끝없이 많은 패턴이 겹쳐질 수 있습니다. 스위스 로잔 연방 기술 연구소의 물리학자인 리비아 보브(Livia Bove)는 물이 매우 다양한 형태를 취할 수 있기 때문에 "물리학 및 화학은 환경마다 완전히 다를 수 있다"고 말했습니다. "위상적으로 아름답습니다."
2018년에 유럽과 일본의 국제 연구 그룹은 발견되지 않은 얼음 형태를 예측하기 위해 물 분자 역학에 대한 야심찬 컴퓨터 시뮬레이션을 만들었습니다. 그 결과 75,000개 이상의 상으로 구성된 카탈로그가 작성되었으며, 각 상은 서로 다른 온도와 압력 조합에 따라 물 분자가 서로 결합하는 약간 다른 방식을 특징으로 합니다.
Livia Bove 팀은 최근 얼음 달의 핵에 존재하는 것으로 생각되는 일종의 "플라스틱" 얼음을 발견했습니다.
리비아 E. 보브 제공
실제로 과학자들은 그렇게 많은 단계 근처에서는 찾을 수 없을 것으로 예상합니다. 구조가 수학적으로 가능하다고 해서 그것이 자연에서 형성될 것이라는 의미는 아닙니다. LLNL의 물리학자인 페데리카 코파리(Federica Coppari)는 이메일에서 “시뮬레이션에만 기반을 둔 새로운 단계의 존재 주장에는 항상 약간의 불확실성이 있습니다.”라고 썼습니다.
일부 단계는 형성되기 위해 엄청난 양의 에너지가 필요합니다. 다른 것들은 너무 약해서 즉시 무너질 것입니다. 과학자들은 실행 가능해 보이는 예측으로 범위를 좁히려고 노력합니다. 시뮬레이션에 참여한 Pickard는 “더 적은 수로 필터링됩니다.”라고 말했습니다. "하지만 현실은 우리가 필터를 어떻게 배치해야 하는지 정확히 알지 못한다는 것입니다."
얼음이 실제로 취하는 형태를 발견하기 위해 과학자들은 실험실로 향합니다.
압력을 받고 있는 상황
2018년 김용재 박사는 한국표준과학연구원(KRISS)에서 극압 하에서 상온의 물이 얼음으로 변하는 과정을 연구하는 박사후 연구원이었습니다. 실험에는 두 개의 다이아몬드 사이에 물 한 방울을 짜넣고 고속 이미징 및 기타 분석 기술을 사용하여 변화하는 분자 구조를 연구하는 것이 포함되었습니다.
실험 데이터를 살펴보면서 김씨는 처음에는 실수처럼 보였던 것을 발견했다. 불과 수십 밀리초 동안 얼음은 구조를 잃고 다음 단계로 전환되기 전에 분자 덩어리로 용해되는 것처럼 보였습니다. 김씨는 땀이나 흙이 물을 오염시킨 것을 걱정했다. 그는 “그때 설렘보다는 불안감이 더 컸다”고 말했다. 그는 관찰 내용을 나머지 팀원들과 공유했지만 후속 조치를 취할 시간이 부족했습니다.
2025년 KRISS의 연구원들은 Kim의 다이아몬드 시스템을 사용하여 동일한 실험의 개선된 버전을 실행하여 이상한 구조를 재현하는 데 성공했습니다. 너무 복잡해서 처음에는 거의 무작위로 보였습니다. 김씨는 "그러나 나가면 우리는 구조를 거시적으로 본다. 주기성이 있다"고 말했다.
연구진은 3.4km 길이의 터널을 통해 전자를 가속한 다음 특수 자석을 통해 X선을 방출하는 레이저를 수용하는 독일의 유럽 X선 자유전자 레이저 시설에 장비를 설치했습니다. Pickard는 “X선 광선이 밝을수록 결정 구조에 대한 더 나은 사진을 얻을 수 있습니다.”라고 말했습니다.
과학자들은 얼음에 고출력 X선 레이저 빔을 비추고 빔이 어떻게 산란되는지 측정했습니다. 대부분의 얼음 상은 몇 개의 분자 이후에 결정 패턴이 반복되기 때문에 광선을 몇 가지 다른 방향으로 반사시킵니다. 하지만 이 샘플은 대략 15개의 다른 경로를 따라 빛을 보냈습니다. 과학자들이 이미지를 분석한 결과, 결정 패턴의 분자 수는 무려 152개에 달했습니다. 팀의 구조 관찰을 통해 얼음의 위상은 공식 로마 숫자 이름인 ice XXI를 얻었습니다.
게다가 새로운 단계는 완전히 놀랐습니다. 팀은 일치 항목을 찾기 위해 Pickard 그룹이 예측한 수만 단계를 샅샅이 뒤졌지만 찾지 못했습니다. 얼음 XXI의 반복 구조는 시뮬레이션이 검색할 수 있는 크기를 넘어서는 것으로 밝혀졌습니다. "그들은 기본적으로 우리보다 훨씬 더 복잡한 것을 발견했습니다."라고 Pickard는 말했습니다.
KRISS 팀이 모르는 사이에 오카야마 대학의 한 그룹은 실제로 2018년에 만들어진 다른 좁은 시뮬레이션에서 구조를 예측했습니다. 더욱 집중된 시뮬레이션에서는 아직 발견되지 않은 얼음의 두 가지 추가 단계를 예측했습니다.
변경사항
KRISS의 연구원과 현재 LLNL의 Kim 연구원은 얼음의 새로운 단계를 발견하기 시작하지 않았습니다. 오히려 그들은 물이 상에서 상으로 어떻게 전환되는지와 관련된 물의 또 다른 이상한 특성을 조사하고 싶었습니다. 고전적인 상전이 이론은 모든 시스템이 가장 낮은 에너지 상태로 돌아갈 것이라고 예측합니다. 하지만 물이 항상 예측을 따르지는 않습니다.
예를 들어, Kim의 샘플은 다이아몬드 장치에 의해 압착되어도 가장 안정적인 상태로 바로 점프하여 반응하지 않았으며, 해당 압력 수준에서는 얼음 VI라는 형태가 됩니다. 대신에, 그것은 물에서 얼음 XXI로, 그리고 얼음 VII로 뛰어올랐습니다. 이러한 중간 단계를 준안정 상태라고 하며 이러한 상태의 존재는 일부 단계 전환이 한꺼번에 발생하는 것이 아니라 단계적으로 발생함을 보여줍니다.
물의 준안정 상태는 독일의 물리화학자이자 알베르트 아인슈타인의 동료인 빌헬름 오스트발트의 이름을 딴 오스트발트의 계단 법칙이라는 상전이 이론을 뒷받침합니다. (아인슈타인은 처음에 오스트발트의 연구실에서 일하기를 거부했지만 두 사람은 나중에 친구가 되었고 결국 오스트발트는 아인슈타인을 노벨상 후보로 지명했습니다.) 오스트발트의 단계 규칙은 시스템이 가장 열역학적으로 안정적인 상태가 아닌 가장 가깝고 도달하기 쉬운 단계 상태로 전환하고 때때로 정체되는 것을 시사합니다. Pickard는 "때때로 형성하기 가장 쉬운 [상태]가 가장 불안정한 상태라는 것은 매우 역설적인 일입니다."라고 말했습니다.
도쿄 대학의 고바야시 히로키(Hiroki Kobayashi)가 이끄는 그룹은 사전 인쇄 기사에서 보고된 얼음 XXI의 발견을 이미 다른 기술을 사용하여 재현함으로써 추적했습니다. 그 과정에서 그들은 현재 얼음 XXII라고 불리는 근처의 상을 발견했는데, 이는 훨씬 더 복잡하고 304개의 분자마다 그 패턴을 반복합니다.
더 낮은 온도에서 이 그룹은 또한 얼음의 준안정 단계인 얼음 IV를 안정적으로 생산하는 방법을 생각해 냈으며 민화에서 여행자를 유혹하는 유령 빛의 이름을 따서 "will-o'-the-wisp"라는 이름을 얻었습니다.
과학자들이 더 많은 준안정 상태를 관찰하면서 오스트발트 이론의 적용이 얼음뿐만 아니라 의학에 사용되는 결정을 포함한 다른 종류의 결정에서 상전이가 어떻게 작동하는지 정확하게 설명한다는 증거를 수집하고 있습니다. 의약품의 단계를 변경하면 그 효과가 변경될 수 있으며, 이는 공장에서 보호해야 할 사항입니다. Pickard는 “때때로 약물이 한 단계에서 다른 단계로 바뀌다가 전체 배치를 망칠 수 있습니다.”라고 말했습니다. 오스트발트의 이론은 그런 일이 언제 일어날지 예측하는 데 도움이 됩니다.
춤추자
2025년에 로잔의 보브 팀은 더 작지만 어떤 면에서는 낯선 준안정 얼음 단계를 발견했습니다. Nature에 발표된 연구에서 , 그들은 플라스틱 얼음 VII의 첫 번째 관찰을 보고했습니다. 이는 얼음이 섭씨 500도 정도까지 가열될 때 나타나는 얼음의 고압 단계인 얼음 VII의 변형입니다.
