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- 약 5GPa(기가파스칼)의 압력아래 입방체 결정 구조에서 발달
- 지각과 물이 풍부한 외계 행성의 맨틀에서도 발생할 수 있다.

새로운 형태의 물 얼음 발견
Ice VII의 4각형 변형은 지구의 맨틀과 외계 행성에서 발생할 수 있다.

신비로운 고압 얼음:
연구원들이 물 얼음의 새로운 변종인 Ice VIIt을 발견했다. 입방체 기본 단위로 구성된 이 결정 형태는 고압 실험에서 알 수 있듯이 약 5GPa(기가파스칼)의 압력아래 입방체 결정 구조에서 발달한다. 이러한 변종 물 얼음은 지구의 상부 맨틀에서 발생할 수 있지만 과학자들이 보고하는 바와 같이 지각과 물이 풍부한 외계 행성의 맨틀에서도 발생할 수 있다. 

▲ 다이아몬드 고압 프레스와 레이저 충격의 조합을 사용하여 연구원들은 새로운 결정 형태의 물 얼음을 발견했다. © Chris Higgins

물은 매우 특별한 물질이다.
이 분자는 액체와 결정 형태 모두에서 몇 가지 특성을 보이기 때문이다. 밀도 이상 또는 자기 해리 능력 외에도 여기에는 약 20가지의 알려진 형태의 얼음이 포함된다. 압력과 온도에 따라 결정 구조가 상당히 달라진다. 스펙트럼은 눈 결정의 일반적인 육각형 얼음에서 정사각형 모양 및 새장 같은 구조에 이르기까지 다양하다.

입방체에서 정방정계로의 결정 구조

라스베거스 네바다 대학의 Zachary Grande가 이끄는 연구원들은 최근 또 다른 물 얼음 변종을 발견했다. 실험을 위해 그들은 다이아몬드 스탬프 프레스에서 물 얼음 샘플에 압력을 증가시켰다. 일정한 간격으로 샘플을 차저 제트로 일시적으로 녹인 다음 일반적인 압력 조건에서 다시 결정화했다.

약 5기가파스칼의 압력에서 물 얼음은 이미 알려진 입방체 결정 형태인 Ice-VIIt에서 아직 알려지지 않은 결정 구조로 변한다는 것이 밝혀졌다. Ice-VIIt의 이 정방형 변형에서 얼음의 원자는 일시적으로 직육면체 기본 단위로 배열된다. Grande와 그의 동료들이 보고한 바와 같이 이 중간 구조의 물 얼음은 이전에 관찰된 적이 없다.

Eis-X의 새로운 기능

고압 실험을 통해 알려진 또 다른 형태의 얼음인 Ice-X가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 낮은 압력에서 형성된다는 사실도 밝혀졌다. 특히 압력이 안정적이고 단단한 이 얼음은 대기압의 약 30만 배인 약 30기가파스칼에서 형성되며, 이 값은 이전에 가정한 것보다 거의 3배나 낮다.

Grande의 동료 Ashkan Salamat는 "이 결과는 상징적인 Ice-X로의 변형이 이전에 가정했던 것보다 훨씬 낮은 압력에서 발생한다는 것을 보여준다"며 "이것은 이전에 누락된 퍼즐의 중요한 조각이며 현재까지 이러한 조건에서 물의 가장 정확한 측정 중 하나를 나타낸다"고 말했다.

지구 내부 및 외계 행성과 관련됨

이러한 새로운 발견은 일상생활과 우리가 직접 관찰할 수 있는 얼음과는 관련성이 적다. 그러나 다양한 형태의 얼음은 무엇보다도 지구 내부의 구성과 과정에서 중요한 역할을 한다. 이러한 물 얼음 변종은 물리적 특성이 약간 다르기 때문에 다른 깊이에서 물의 강도, 가용성 및 반응을 형성할 수 있다.

Grande와 그의 팀에 따르면 새로 발견된 얼음 형태인 Ice VIIt은 주로 지구의 상부 맨틀에서 발견될 수 있다고 한다. 이 이국적인 정방형 얼음은 다른 행성이나 위성에서도 발생할 수 있다. 그곳에서 얼음 ‘Ice-VIIt’는 지각과 상부 맨틀에 있는 물의 일부를 구성할 수 있다.
(Physical Review B, 2022, doi:10.1103/PhysRevB.105.104109)
출처: University of Nevada, Las Vegas

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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