요약:
얼음은 일반적으로 낮은 온도를 의미하지만 과학자들은 이제 극도로 높은 압력의 환경에서 물이 2000°C가 넘는 온도에서도 여전히 존재하는 특별한 종류의 '얼음'을 형성할 수 있음을 확인했습니다. 프랑스 연구팀은 최근 이전에 이론적으로 존재할 것으로 예측되었던 새로운 유형의 얼음, 즉 육각형으로 밀집된 초이온 얼음을 실험실에서 성공적으로 생성했습니다. 이 물질은 일반 얼음처럼 완전 고체도 아니고 액체처럼 자유롭게 흐를 수도 없으며, 이 물질의 독특한 구조는 천왕성과 해왕성과 같은 얼음 거대 행성 내부의 비정상적으로 복잡한 자기장을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
물은 지구상에서 가장 흔한 물질 중 하나이며 생명체에게 없어서는 안 될 요소입니다. 그러나 물리적, 화학적 관점에서 볼 때 물은 실제로 매우 비정상적인 특성을 많이 가지고 있습니다. 예를 들어, 일반적인 액체 물의 부피는 얼면 팽창합니다. 얼음의 밀도는 액체 물의 밀도보다 낮습니다. 물은 또한 표면 장력과 끓는점이 비정상적으로 높습니다. 순수하게 물 분자의 분자량을 기준으로 계산한다면 물은 실온에서 기체 형태로 존재할 가능성이 훨씬 더 높아집니다.
환경이 지구 표면에서 지구 내부로 이동하는 동시에 극한의 온도와 압력이 가해지면 물은 훨씬 더 특이한 방식으로 행동합니다. 연구진은 이번에 실험실에서 천왕성과 해왕성 내부의 극한 조건을 시뮬레이션해 육각형으로 밀집된 초이온 얼음의 결정 구조를 최초로 직접 포착했다.
소위 '초이온성 얼음'은 전통적인 고체와 액체 사이의 특별한 물질 상태입니다. 물이 수백만 기압의 엄청난 압력을 받으면 물질은 매우 높은 온도에서도 고체와 같은 격자 구조를 유지할 수 있습니다. 이 상태에서는 전통적인 의미의 완전한 물 분자가 더 이상 존재하지 않습니다. 산소 원자는 결정 격자 위치에 고정되어 있는 반면, 수소 핵은 액체 속의 입자처럼 산소 원자로 구성된 결정 격자 사이를 빠르게 이동할 수 있습니다.
따라서 거시적인 관점에서 볼 때 이 물질은 고체와 액체의 특성을 모두 갖고 있습니다. 즉, 산소 원자는 안정된 고체 격자를 형성하는 반면, 수소 원자는 이동성이 높습니다. 이 독특한 구조는 또한 초이온성 얼음을 높은 전도성으로 만듭니다.
이 극단적인 물질을 만들기 위해 연구자들은 두 개의 다이아몬드 끝 사이에 아주 작은 물 샘플을 놓은 다음 점차적으로 최대 230만 기압의 압력을 가했습니다. 비교하자면, 지구 중심부의 압력은 약 360만 기압입니다. 그런 다음 연구원들은 고출력 레이저를 사용하여 압축된 물을 2,630켈빈, 즉 약 2,357°C의 온도로 가열했습니다.
이러한 극한 조건에서 연구자들은 고에너지 싱크로트론 방사선 X선을 사용하여 샘플을 자세히 스캔하고 고온, 고압 환경에서 물의 구조적 변화를 원자 규모로 관찰했습니다. 실험에서는 산소 원자가 육각형 밀집 구조, 즉 hcp 구조로 배열된 초이온성 얼음 결정이 최종 포착됐다.
실험을 통해 이 구조가 형성되는 과정도 밝혀졌습니다. 압력과 온도가 계속 증가함에 따라 원래 형성된 면심 입방체(fcc) 구조는 영원히 안정적으로 유지되지 않습니다. 결정 내부의 서로 다른 층 사이에서 미끄러짐이 점진적으로 발생하고 결국 원래 구조는 보다 안정적인 육각형 밀집 구조로 완전히 변형되어 이전에 이론적 예측의 초점이었던 hcp 초이온 얼음이 형성됩니다.
이번 발견의 의의는 단지 '섭씨 2,000도가 넘는 얼음'을 만들어냈다는 데만 있는 것이 아니다. 과학자들은 천왕성과 해왕성과 같은 얼음 거대 행성 내부에 거대한 초이온 얼음층이 있을 수 있으며, 이 물질의 특별한 전도성은 두 행성의 극도로 특이한 자기장과 밀접한 관련이 있을 수 있다고 오랫동안 믿어 왔습니다.
천왕성과 해왕성의 자기장은 지구의 자기장과 크게 다릅니다. 지구 자기장은 행성의 자전축을 중심으로 대략적으로 비교적 규칙적인 구조를 형성하고 있지만, 천왕성과 해왕성의 자기장은 행성의 중심과 자전축에서 크게 벗어나 있으며 그 구조가 복잡하고 비대칭적이다. 과학자들은 이전에 이 비정상적인 자기장을 생성하는 영역이 행성의 중심이 아니라 내부의 고전압 물질로 구성된 전도성 층에 있을 수 있다고 제안했습니다.
슈퍼이온 얼음은 매우 중요한 특성을 가지고 있습니다. 즉, 전기를 전도할 수 있습니다. 수소핵은 산소 원자의 고정 격자 사이를 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 이 물질은 일반 얼음과 완전히 다른 전기적, 유체 역학적 특성을 나타낼 수 있습니다. 그러한 물질층이 천왕성과 해왕성 내부에 존재한다면, 이는 두 행성의 이상한 자기장을 구동하는 중요한 요인 중 하나일 수 있습니다.
과학자들은 이전에 이론적 계산과 기타 고압 실험을 통해 초이온성 얼음의 존재에 대한 증거를 얻었지만, 이번 실험을 통해 이 물질이 극한 조건에서 육각형의 밀집 구조를 형성할 수 있음이 추가로 확인되었습니다. 연구원들은 이 결과가 얼음 거대 행성의 내부 구조, 전도 메커니즘 및 물질 흐름에 대한 일부 모델을 수정해야 할 수도 있음을 의미한다고 믿습니다.
더 중요한 것은 천왕성과 해왕성 내부의 온도와 압력 조건이 지구 표면에서는 자연적으로 발생할 수 없기 때문에 실험실에서의 고전압 레이저 실험은 이러한 먼 세계를 연구하는 중요한 수단이 되었습니다. 과학자들은 지구에 행성 내부를 재현함으로써 우주선이 접근할 수 없는 물질의 상태를 직접 연구할 수 있습니다.
연구 결과는 Physical Review Letters에 게재되었습니다. 행성 과학자들에게 육각형으로 밀집된 초이온 얼음의 확인은 극한 조건에서 물이 취할 수 있는 복잡한 형태를 더욱 밝혀줄 뿐만 아니라 태양계에서 가장 멀리 떨어져 있는 두 거대 행성을 이해하기 위한 새로운 물리적 기초를 제공합니다.
즉, 소위 '2000°C를 초과하는 얼음'은 얼음 조각이 일반적인 의미의 높은 온도에서 녹지 않는다는 의미가 아니라, 엄청난 압력을 받아 형성된 완전히 새로운 물질 상태를 의미합니다. 그러한 환경에서 물은 우리가 일상적으로 알고 있는 고체, 액체, 기체의 거동에서 완전히 벗어나 산소 원자는 고정되고 수소 원자는 자유롭게 움직이는 이상한 구조를 띠게 되었다. 이러한 극단적인 물질 상태는 수십억 킬로미터 떨어진 천왕성과 해왕성 깊은 곳에 숨겨져 있을 가능성이 높습니다.
댓글