한국표준과학연구원은 상온에서 2만기압(2GPa)이 넘는 초고압 조건 아래 물이 얼음으로 변하는 과정을 관측하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.

이를 통해 지금껏 알려지지 않았던 물의 21번째 결정상인 '얼음 ⅩⅩⅠ'을 발견했다.

얼음은 물이 0도 이하에서 결정화되며 생기는 것으로 알려졌지만, 상온 혹은 심지어 물이 끓는 고온에서도 생길 수 있다.

액체가 고체로 변하는 결정화는 온도뿐만 아니라 압력에도 영향을 받기 때문이다.

상온에서 물은 결정화 압력인 9천600기압(0.96GPa) 이상의 압력을 받으면 얼음으로 변하는데, 이때 물 분자 간 수소결합이 온도와 압력에 따라 복잡하게 재배열되면서 다양한 얼음상을 동반하는 결정화 과정이 나타난다.

현재까지 전 세계 연구자들이 발견한 얼음 결정상은 20개에 이르며, 각 얼음상을 발견한 온도와 압력은 2천K(켈빈, 1K은 영하 273도) 이상, 100만기압(100GPa) 이상까지 넓게 형성돼 있다.

표준연 연구팀은 자체 개발한 초고압 발생 장치인 '동적 다이아몬드 앤빌 셀'(dDAC) 장비를 이용, 상온에서 2만기압 이상까지 물이 액체로 존재하는 상태를 구현하는 데 성공했다.

기존 '다이아몬드 앤빌 셀'(DAC) 장치는 연구자가 수동으로 조립 볼트를 조여가며 압력을 늘리는데, 압력을 가하는 과정에서 금세 결정화돼 버리는 한계가 있었다.

연구팀은 가압 시 충격을 최소화하는 미세 변위 제어장치를 적용, 물의 결정화 압력을 크게 넘어선 2만 기압 이상에서도 액체로 존재할 수 있는 초과압 상태를 형성하는 데 성공했다.

이어 독일의 세계 최대 규모 X선 레이저 시설 '유로피언 XFEL'을 통해 초과압 상태의 물이 결정화되는 과정을 ㎲(마이크로초·100만분의 1초) 시간 단위로 관측하는 데 성공했다.

그 결과 지금까지 알려지지 않았던 결정화 경로를 분석, 21번째 결정상을 최초로 확인했다.

이윤희 책임연구원은 "얼음 ⅩⅩⅠ의 밀도는 목성과 토성의 얼음 위성 내부에 존재하는 초고압 얼음층과 비슷한 수준"이라며 "극한 환경에서 우주 생명체의 근원을 탐색하는 단서를 제공하고 지구상에 없던 신소재를 개발하는 데 기여할 것"이라고 말했다.