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KRISS 우주극한측정그룹 초고압 연구팀. 왼쪽부터 이윤희 책임연구원, 김민주 박사후연구원, 김진균 박사후연구원, 이근우 책임연구원. 사진제공=KRISS

국내 연구진이 초고압 극한환경에서 새로운 형태의 얼음을 발견했다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 27일, 상온에서 2만기압(2 GPa)이 넘는 초고압 상태의 물이 얼음으로 변하는 과정을 마이크로초(μs·100만분의 1초) 단위로 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

이 과정에서 기존에 알려지지 않았던 물의 결정화 경로와 함께 **21번째 결정상(phase)인 ‘얼음 XXI(Ice XXI)’**을 세계 최초로 확인했다.

KRISS 우주극한측정그룹은 자체 개발한 ‘동적 다이아몬드 앤빌 셀(dDAC)’ 장비를 이용해 상온에서 2만기압 이상의 초과압(supercompression) 상태를 구현했다. dDAC은 머리카락 굵기 수준의 공간에 물 시료를 넣고, 한 쌍의 다이아몬드와 미세 변위제어 장치를 통해 초고압을 정밀하게 조절할 수 있는 장비다.

기존 다이아몬드 앤빌 셀(DAC) 방식보다 압축 속도를 수십 초에서 10밀리초(ms)로 단축해, 물이 얼음으로 변하기 전 단계인 준안정 액체 상태를 유지하는 데 성공했다.

연구진은 유럽 최대 X선 레이저 시설인 유로피언 XFEL을 활용해 초과압 상태에서 물이 결정화되는 찰나의 순간을 포착했다.

그 결과, 상온에서 5가지 이상의 새로운 결정화 경로가 확인됐으며, 그 중 하나가 ‘얼음 XXI’로 규명됐다.

KRISS 연구진이 동적 다이아몬드 앤빌셀 장치를 통해 구현한 초과압수의 결정화 과정을 관찰하고 있다. 사진제공=KRISS

한 세기 이상 진행되고 있는 Ice I부터 Ice XX까지 얼음상 발견의 역사. 사진제공=KRISS

새로 발견된 얼음 XXI는 기존 얼음상보다 결정 구조의 단위포(Unit Cell)가 훨씬 크고, 바닥면이 납작한 직육면체 형태를 띠는 것이 특징이다.

이윤희 KRISS 책임연구원은 “얼음 XXI의 밀도는 목성과 토성의 얼음 위성 내부에 존재하는 초고압 얼음층과 비슷하다”며 “극한 환경에서의 물 구조 연구는 우주 생명체 기원의 단서가 될 수 있다”고 설명했다.

이근우 책임연구원은 “자체 개발한 dDAC과 XFEL 기술 융합으로 기존 장비로는 접근 불가능했던 순간을 포착했다”며 “초고압 연구가 과학의 새로운 지평을 열 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 《네이처 머티리얼스》(Nature Materials, IF 38.5) 10월호에 게재됐다.