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- 물 분자의 단일 층은 실온에서 이미 "육각" 상으로 변할 수 있다.
- 고체도 액체도 아니며 H2O 분자가 제자리에서 회전
- 이전에 행성 중심에 대해서만 가정되었던 상태
- 정상적인 물이 초이온이 되기 위해서는 420℃ 이상과 약 56기가파스칼이 필요

물의 새로운 단계 발견
물 분자는 비좁은 조건에서 이국적인 상태를 채택한다.

고체도 액체도 아님:
물리학자들이 비좁은 조건에서 물이 새로운 상태를 나타낼 수 있음을 발견했다. 이에 따르면, 물 분자의 단일 층은 실온에서 이미 "육각" 상으로 변할 수 있다. 이는 고체도 액체도 아니며 H2O 분자가 제자리에서 회전한다. 약간 증가된 압력에서 이 물은 초이온이 되며 물리학자들이 "Nature"에서 보고한 것처럼 이전에 행성 중심에 대해서만 가정되었던 상태다. 

▲ 물의 초이온 상태에서 산소 이온(빨간색)은 격자를 형성해 양전하를 띤 양성자(흰색)가 자유롭게 이동한다. © Goran tek-en/ CC-by-sa 4.0

물은 일상적이면서 동시에 이국적이다. 겉보기에 단순한 분자 H2O는 밀도 이상에서 자체 해리, 12가지 이상의 다른 얼음 형태에 이르기까지 정상적인 상황에서 이미 몇 가지 특성을 보여주기 때문이다. 그러나 예를 들어 좁은 모세관에서 물 분자가 심하게 수축되면 물은 갑자기 쌍극자 모멘트를 잃고 "전기적으로 죽은" 상태가 되며 갑자기 예상보다 적은 저항으로 흐른다.

모든 곳에서 제한된 물

케임브리지 대학의 벤카트 카필(Venkat Kapil)이 이끄는 물리학자들이 지금 발견한 것처럼 그게 다가 아니다. 그들은 복잡한 물리적 모델과 인공 지능을 사용해 다양한 온도 및 압력 조건에서 단일 물층의 구조가 어떻게 변하는지 조사했다. "이러한 나노 크기의 공동에 있는 물은 어디에나 있으며 셀 수 없이 많은 일상적인 현상에서 중심적인 역할을 한다"고 팀이 설명했다.

이러한 극도로 얇은 물 층은 예를 들어 모든 생명체의 모세관과 막에서 발생하며, 하층토의 암석에서 간극수를 형성하고 많은 기술, 의료 및 화학 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 그러나 다양한 조건에서 "수축된" 물의 거동에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 분명한 것은 물 분자는 단순히 벽의 인력으로 인해 이러한 비좁은 환경에서 높은 압력을 받고 있다는 것이다.

단층 물에 대한 위상 다이어그램

Kapil의 팀은 이제 단일 층의 물에 대한 위상 다이어그램을 만드는 데 성공했다.
즉, 온도와 압력의 함수로 변화를 보여주는 다이어그램이다. 그들의 모델링은 첫 번째 원리 방법에 따라 처음으로 단층 물의 상태를 나타낸다. 이것은 알려진 규칙성을 기반으로 하므로 결과가 가정 및 가설에 의해 위조되지 않도록 한다. 이 방법은 물리적 계산 및 모델링의 황금 표준으로 간주된다.

분석은 처음에 몇 가지 잘 알려진 상전이를 드러냈다. 빙점 이하의 온도에서 단층 물은 다른 얼음 단계를 거친다. 압력이 증가함에 따라 물 분자의 배열은 일반 육각형 원자 격자에서 오각형 모양을 거쳐 정사각형으로, 마지막으로 평평한 마름모꼴 결정격자로 변경된다. 물은 물리학자들이 보고한 바와 같이 세 개의 단계가 동시에 존재하는 여러 삼중점을 통과한다.

▲ 하나의 분자 층에 국한되지 않는 정상 조건에서 물의 위상 다이어그램. © Cmglee/ CC-by-sa 3.0 (Damp: 증기, Tripelpunkt: 삼중점, Wasser : 물, Eis: 얼음, Siedepunkt: 비등점, Schmelzpunkt: 녹는점, kritische punkt: 임계점)

6각형: 고체도 액체도 아닌

그런데 놀라운 일이 일어났다. 실온과 0.5~2GPa(기가파스칼)의 압력(나노스케일 채널의 일반적인 특성)에서 물은 이전에는 볼 수 없었던 이국적인 상태로 변했다. "물은 고체도 액체도 아닌 상태를 취한다"고 Kapil과 그의 동료들은 설명했다. 물 분자의 원자는 여전히 대략 육각형 패턴으로 배열돼 있지만 분자는 계속해서 자신을 중심으로 회전한다.

그러한 물의 상태는 이전에 소수의 물리학자들에 의해서만 이론적으로 가정됐다. 따라서 6중 대칭과 강한 회전의 이색적인 조합을 "육각" 단계라고 한다. Kapil과 그의 팀의 분석은 이러한 6차원 상태가 이미 실온에서 나노채널에서 발생하고 따라서 실험적으로 검증될 수 있음을 처음으로 제안한다.

적당한 압력에서도 초이온성

분석 결과에는 또 다른 놀라움이 있었다. 약 75도와 4GPa의 압력에서 단층 물은 상태를 다시 변경해 초이온이 됐다. 이러한 초이온 상태에서 산소 원자는 국부적으로 남아 일종의 격자를 형성하는 반면 수소 양성자는 이 격자를 통해 자유롭게 이동한다. 이것은 물의 전도성을 증가시킨다.

놀라운 점은 수축되지 않은 정상적인 물이 초이온이 되기 위해서는 420℃ 이상과 약 56기가파스칼이 필요하다는 것이다. 이는 지구의 깊은 내부 압력에 해당한다. Kapil은 "상대적으로 생성하기 쉬운 조건에서 초이온상의 존재는 일반적으로 천왕성과 해왕성의 핵과 같은 극한 조건에서만 발생하기 때문에 흥미롭다"고 설명했다. 연구원들이 최근 보고한 바와 같이 지구 내핵의 물질도 초이온성일 수 있다.

실제 적용에도 중요

따라서 이 연구는 재료가 하나 또는 몇 개의 분자 층으로 제한될 때 재료의 특성이 얼마나 변하는지 확인한다. 물의 경우, 몇 가지 이국적인 단계의 존재와 육각형 물 형태의 완전히 새로운 상태를 나타낸다. 6각형 및 초이온수가 비교적 정상적인 조건에서도 좁은 채널에서 발생한다는 사실은 물리학자들이 설명하는 바와 같이 실험적 조사를 위한 완전히 새로운 가능성을 열어주는 것이다.

무엇보다도 초이온수는 매우 실용적인 용도를 가질 수 있다. 초이온성 단계에서 물은 일반적인 배터리 전해질보다 100~1,000배 더 높은 전도도를 가지고 있다. 이 상태가 이제 나노튜브 또는 그래핀 층 사이의 부드러운 압력에 의해 야기될 수 있다면, 이것은 아마도 더 강력한 배터리를 가능하게 할 수도 있다. 또한, 결과는 다른 물질도 제한된 조건에서 이전에 생각했던 것보다 일찍 초이온이 된다는 것을 시사한다.
(nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05036-x)
출처: University of Cambridge

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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