상온에서 고체가 되는 물질 XXI에 많은 관심이 모였다. 물은 1기압에서 섭씨 0℃일 때 어는데, 상온에서 어는 XXI를 이용하면 다양한 기술 개발이 가능할 것으로 학계는 기대했다.
한국표준과학연구원(KRISS)이 참여한 공동 연구팀은 이달 10일 국제 학술지 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 실험 보고서를 내고 상온에서 고체가 되는 물질 XXI를 소개했다.
상온에서 얼음을 생성하는 기술을 다년간 개발해 온 연구팀은 얼음의 결정 구조가 기압에 따라 변하는 과정에 집중했다. 이번 XXI는 일반 공기압의 약 2만 배나 되는 2기가파스칼(GPa)의 초고압 환경에서 관찰됐다.
연구팀은 독일전자싱크로트론연구소(DESY)가 보유한 X선자유전자레이저장비(European X-Ray Free-Electron Laser Facility, European XFEL) 및 양전자-전자 직렬고리가속기 PETRA-III를 이용해 실험에 나섰다.
우선 연구팀은 물을 다이아몬드 2개 사이에 배치해 압력을 올린 뒤, 최종적으로 2GPa의 고압 환경을 만들었다. 이후 1초에 걸쳐 압력을 낮췄다. 이 과정을 European XFEL의 X선 플래시를 이용해 100만 분의 1초마다 촬영해 물의 결정 구조가 어떻게 변하는지 살폈다.
아래 그림은 해당 관찰 결과를 보여준다. 압력이 상승함에 따라 얼음 XXI가 형성되는 것을 알 수 있다. 다만 XXI는 준안정 상태로 아주 짧은 시간 일시적으로만 존재했다.
연구팀은 이번 성과가 더 많은 고온 준안정 얼음층이나 전이경로가 존재할 가능성을 보여줬다고 의미를 부여했다. 기술이 고도화해 XXI가 상용화될 경우 활용 범위는 아주 넓어서, 식품 보관이나 유통의 양상이 크게 달라질 것으로 내다봤다. 우주개발 분야에서는 얼음 위성의 탄생에 관한 새로운 지식을 제공할 것으로 학계는 기대했다.
KRISS는 2019년에도 상온에서 얼음을 만드는 기술을 선보인 바 있다. KRISS 이윤희, 이근우 박사 등이 참여한 연구팀은 물을 초고압으로 압축한 뒤 상온에서 잠시 얼음을 구현하는 실험에 성공했다.
정이안 기자 anglee@sputnik.kr
