우리가 알고 있는 물의 상태 변화는 액체, 얼음, 수증기 정도다. 하지만 물은 조건에 따라 10여 가지의 다른 구조를 형성할 수 있다. 그런데 이제 과학자들은 ‘초이온 얼음(superionic ice)’이라는 새로운 구조를 그 목록에 추가할 수 있게 됐다.

초이온 얼음이란 아주 새로운 형태의 얼음으로, 고체인 동시에 액체 상태다. 이제까지 과학자들은 물방울을 통해 엄청난 충격파를 보내는 실험을 통해 잠깐 동안만 초이온 얼음을 보았을 뿐이다. 그런데, 미국 아르곤국립연구소의 과학자들을 비롯한 국제 공동 연구진은 초이온 얼음을 안정적으로 만들고 유지하고 검사할 수 있는 방법을 발견했다.

인간은 우주의 시작과 모든 물질을 구성하는 가장 작은 입자까지 관찰했음에도 불구하고, 여전히 태양계의 행성 내부와 지구 깊숙한 곳에 무엇이 숨어 있는지 정확히 알지 못한다.

인간이 지구 표면 아래로 깊숙이 파고들어 간 곳은 고작 12㎞ 정도에 불과하다. 그 같은 곳에서 암석은 플라스틱 같은 상태를 보이며 물과 같은 기본적인 분자의 구조도 변화하기 시작한다. 하지만 물리적으로 그런 장소에 도달할 수 없어서 연구진은 다른 접근법을 취했다. 즉, 지구 상에서 가장 단단한 물질인 두 조각의 다이아몬드 사이에 물을 압착한 다음 레이저를 발사하여 물을 가열한 것.

처음엔 잘못된 화학반응으로 여겨

그 후 연구진은 X선 빔을 보내고 X선이 어떻게 산란되는지에 따라 물 내부 원자의 배열을 조립했다. 이 실험에는 광속에 가까운 빠른 속도로 전자를 움직여 X선 빔을 생성하는 거대한 가속기인 아르곤국립연구소의 첨단 방사광가속기(APS)가 사용됐다.

그런데 첫 실험에서 연구진은 예상했던 것과 훨씬 다른 구조의 판독값을 얻었다. 때문에 물에서 종종 일어나는 원치 않은 화학반응처럼 뭔가 잘못되었다고 생각했다. 하지만 레이저를 끄고 샘플이 상온으로 돌아간 뒤 얼음이 다시 원상태로 되돌아가자, 연구진은 그것이 화학반응이 아닌 가역적이며 구조적인 변화였다는 사실을 깨달았다.

그 얼음의 구조를 보면서 연구진은 물의 새로운 단계가 있음을 깨닫고, 그것의 구조와 성질을 정밀하게 파악했던 것. 이 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 발표됐다.

물 분자가 고온에서 강한 압력을 받으면 산소가 격자처럼 결정을 이룬 구조 위로 수소 이온이 물처럼 흘러다니는 상태가 된다. 따라서 밀도는 낮아지지만, 빛과 다르게 상호작용하므로 상당히 어두워진다. 초이온 얼음이 검게 보이는 까닭이다.

이번 연구에 참여한 시카고대학의 연구교수이자 APS 소속 과학자인 비탈리 프라카펜카(Vitali Prakapenka) 박사는 “초이온 얼음의 화학적, 물리적 특성 전반은 아직 탐구되지 않았다”면서 “이것은 새로운 물질 상태여서 기본적으로 새로운 물질로 작용하며 우리가 생각했던 것과 다를 수 있다”고 말했다.

연구진을 가장 놀라게 한 것은 초이온 얼음이 원래 추측했던 것보다 훨씬 더 가벼운 압력으로 만들어졌다는 사실이다.

생명체 존재하는 행성 찾는 데 도움돼

애초에 그들은 50기가파스칼 이상의 압력, 즉 이륙을 위해 폭발하는 로켓 연료 내부의 조건과 거의 같은 압력으로 압축될 때까지 초이온 얼음이 생성되지 않을 것으로 생각했다. 그러나 이번 실험 동안 초이온 얼음은 20기가파스칼에서 형성됐다.

초이온 얼음이 발생하는 정확한 조건을 아는 것은 무엇보다도 행성 형성을 비롯해 다른 행성에서의 생명체 존재 장소를 이해하는 데 있어 매우 중요하다. 과학자들은 해왕성과 천왕성의 내부를 비롯해 우주의 다른 곳에 있는 행성에도 비슷한 조건이 존재할 거라고 추정한다.

이 얼음의 특성은 행성의 자기장에서 중요한 역할을 함으로써 생명체를 수용하는 능력에 큰 영향을 미치기 때문이다. 지구 내부에 존재하는 초이온 얼음은 우리 행성의 자기장을 유지하는 역할을 해 우주에서 오는 위험한 방사선과 우주선으로부터 생명체를 보호한다.

과학자들은 해왕성과 천왕성에 형성된 독특한 자기장을 감안할 때 이 행성들의 내부에도 초이온 얼음을 존재할 것으로 예상하고 있다. 따라서 자기장 형성에 영향을 미치는 조건을 아는 것은 생명체의 존재 가능성이 높은 다른 항성계의 행성을 찾는 데 도움이 될 수 있다.

비탈리 프라카펜카 박사는 “전도성과 점성, 화학적 안정성을 비롯해 물이 소금이나 다른 미네랄과 섞일 때 무엇이 달라지는지 등 앞으로 연구해야 할 것이 더 많다”고 밝혔다.