새로운 유형의 얼음을 만든 과학자들

과학자들이 거의 물만큼 밀도가 높은 이상한 새로운 유형의 얼음을 만들었습니다.

연구자들은 무질서한 구조와 액체 물과 거의 동일한 밀도를 지닌 이전에 볼 수 없었던 형태의 얼음을 만들었습니다. 과학자들은 초저온과 일부 강철 볼 베어링을 사용하여 액체 물과 동일한 밀도를 가진 새롭고 기괴한 형태의 얼음을 만들었습니다. 중간 밀도 무정형 얼음으로 알려진 이 얼음은 과학자들이 결코 채워질 수 없을 것이라고 확신했던 얼어붙은 물의 연대기의 틈에 딱 들어맞습니다. 지구에서 자연적으로 형성되는 결정질 얼음과 달리 새로 생성된 얼음은 조직화된 분자 구조를 갖고 있지 않습니다.

 

대신, 그 분자는 유리와 같은 무질서한 불일치 상태에 있습니다. 이는 무정형으로 알려진 상태입니다. 다른 유형의 무정형 얼음이 이전에 만들어졌지만 액체 물보다 밀도가 훨씬 낮거나 밀도가 훨씬 높았습니다. 과학 학술지에 발표된 새로운 연구에서 연구원들은 "이 새로운 골디락스 버전의 무정형 얼음은 바로 중간에 있으며 액체 물의 밀도와 거의 정확히 일치합니다"라고 설명했습니다. 영국의 연구 중심 공립 대학 유니버시티 칼리지 런던의 물리 및 재료 화학 교수이자 연구 수석 저자인 크리스토프 살즈만은 "이것은 완전히 새로운 것입니다"라고 말했습니다.

 

지구에서 얼음이 정상적으로 얼면 그 분자는 조직화된 결정 구조로 쌓입니다. 이 결정질 얼음은 가라앉지 않고 고체 상태로 액체 물 위에 떠 있기 때문에 물의 이상한 특징 중 하나입니다. 이는 결정화될 때 더 조밀한 구조를 형성하는 다른 물질에 비해 물 얼음의 결정 구조에 상대적으로 큰 간격이 있기 때문입니다. 하지만 적절하게 조작하면 액체 상태의 물도 무질서하고 무정형 상태로 얼 수 있습니다. 이들 중 첫 번째 상태인 저밀도 무정형 얼음은 1930년대에 발견되었습니다. 이는 매우 차가운 표면에 수증기를 증착하여 만들어지며, 살즈만은 "이 과정은 우주에서 자연적으로 발생하므로 저밀도 비정질 얼음은 우주에서 가장 흔한 형태의 얼음일 수 있습니다"라고 전했습니다.

 

1980년대에 연구자들은 매우 낮은 온도에서 일반 얼음을 압축함으로써 고밀도 비정질 얼음을 만들 수도 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 살즈만과 그의 동료들이 '금요일 오후의 미친 아이디어'를 생각해 내기 전까지는 어느 누구도 중간 밀도의 비정질 얼음을 만든 적이 없었습니다. 그들은 볼 밀링 얼음을 시험해 보기로 결정했습니다. 볼 밀은 매우 진보된 칵테일 셰이커와 같은 장치입니다. 재료를 스테인리스 스틸 볼이 있는 챔버에 넣고 재료가 분쇄될 때까지 흔들거나 돌립니다. 볼 밀링은 많은 산업 분야에서 사용되지만 무정형 재료를 생성하고 부드럽고 얼어붙은 재료를 분말로 분쇄하는 데 특히 유용하다고 살즈만은 말했습니다. 살즈만은 "우리는 '얼음을 볼밀로 가공하여 어떤 일이 일어나는지 살펴보는 것이 어떨까요?'라고 말했습니다"라고 이야기했습니다.

 

연구자들은 볼 밀이 얼음 결정을 더 작은 얼음 결정으로 깨뜨릴 것이라고 예상했습니다. 하지만 그런 일은 일어나지 않았습니다. 대신, 굴러가는 강철 공이 얼음 결정을 깎고 압축하여 새로운 혼란 상태로 밀어 넣었습니다. 결과는 중간 밀도의 비정질 얼음이었습니다. 컴퓨터 모델링에 따르면 얼음은 좋은 결정 상태에서 시작되며 수소 결합이 육각형 격자를 형성하는 것으로 나타났습니다. 볼 밀링으로 인한 무작위 절단으로 인해 이러한 수소 결합이 이리저리 밀리고 혼란스러운 지그재그로 위아래로 향하게 됩니다. 새로운 형태의 얼음은 77켈빈, 즉 화씨 영하 321도(섭씨 영하 196도)에서 형성됩니다.

 

밀도가 입방 센티미터당 1.06그램(0.06입방 인치당 0.037온스)이라는 것 이상의 이상한 특성을 가지고 있습니다. (물의 밀도는 입방 센티미터당 1그램, 즉 0.06입방 인치당 0.035온스입니다) 그중 살즈만은 연구원들이 중간 밀도의 얼음을 압축하여 영하 185F(영하 120C)까지 가열했을 때, 얼음이 재결정화되어 많은 양의 열을 방출하는 것을 발견했습니다. 살즈만은 "다른 형태의 비정질 얼음을 압축하고 압력을 해제하면 아무 일도 일어나지 않은 것과 같습니다"라면서 "그러나 중밀도 무정형 얼음은 기계적 에너지를 저장하고 가열을 통해 방출하는 능력을 갖고 있습니다"라고 부연했습니다.

 

살즈만은 또 중간 밀도의 비정질 얼음이 거대한 가스 행성의 얼음 위성에서 자연적으로 발생할 수 있다고 말했습니다. 거대한 세계의 중력은 그곳에서 달의 얼음을 압축하고 절단합니다. 그렇다면 이러한 형태의 얼음에 저장된 기계적 에너지는 호스와 같은 위성의 구조에 영향을 미칠 수 있습니다. 중간 밀도 비정질 얼음을 이해하는 것은 연구자들이 액체 물을 더 일반적으로 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 살즈만은 말했습니다.

 

물은 결정 형태가 부유할 뿐만 아니라 높은 표면 장력, 높은 녹는점 및 끓는점과 같은 다른 독특한 특성을 갖고 있기 때문에 이상합니다. 과학자들은 여전히 극도로 낮은 온도에서 물의 성질에 대해 논쟁을 벌이고 있습니다. 이제 모든 논쟁에서는 중간 밀도의 비정질 얼음을 고려해야 한다고 살즈만은 말했습니다. 그는 "액체 물에 대한 우리의 많은 이해는 저밀도와 고밀도 비정질 얼음이 있다는 기둥 위에 세워졌다"라며 "중밀도 무정형 얼음이 그 그림에 어떻게 들어맞나요?"라는 물음을 던졌습니다.