Crystallization of pristine cubic ice from liquid at ambient pressure
이 연구는 메조포러스 실리카 내에 구속된 하이드레이트 형성 수용액을 냉각함으로써 대기압 상태에서 액체로부터 순수한 입방 결정 구조의 얼음(Ic)이 재현 가능하게 직접 형성될 수 있음을 입증하며, 이는 나노 구속과 클라스레이트 촉진제가 이전에 찾기 어려웠던 이 다형체의 자연스럽고 접근 가능한 경로를 가능하게 함을 보여준다.
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물은 지구상에서 가장 친숙한 물질 중 하나이지만, 수십 년 동안 과학자들을 당혹스럽게 만든 비밀을 숨기고 있습니다. 물이 얼 때, 물은 보통 육방정계 얼음(hexagonal ice)이라고 알려진 특정한, 질서 정연한 형태의 결정으로 변합니다. 이것이 우리가 눈송이, 빙하, 그리고 냉동실에서 보는 얼음입니다. 하지만 물 분자는 입방정계 얼음(cubic ice)이라고 불리는 다른, 더 희귀한 형태의 모양으로도 배열될 수 있습니다. 오랫동안 과학자들은 이 입방정계 형태가 액체 상태의 물로부터 자연적으로 나타날 수 있는지, 아니면 단순히 흔한 육방정계 형태로 빠르게 변하는 일시적이고 무질서한 혼합물 형태로만 존재하는지에 대해 논쟁해 왔습니다. 이 질문이 중요했던 이유는 만약 순수한 입방정계 얼음이 쉽게 형성될 수 있다면, 그것이 우리가 생각했던 것보다 대기나 심우주에서 훨씬 더 흔하게 존재할 수 있으며, 이는 기상 패턴과 혜성의 구성을 이해하는 방식을 바꿀 수도 있기 때문입니다.
한 연구팀이 이제 극심한 추위나 높은 압력을 필요로 하지 않고, 일반적인 대기압 상태에서 액체 물로부터 이 찾기 힘든 입방정계 얼음이 직접 나타나게 하는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 실리카라고 불리는 물질 내부의 아주 작은 스펀지 같은 구멍 안에 물과 특정 유기 화학 물질의 혼합물을 가두는 방식을 사용했습니다. 실리카는 수백만 개의 미세한 터널(각 터널의 너비는 약 3.7 나노미터)을 가진 용기 역할을 합니다. 연구진은 이 터널 안에 물과 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran)의 액체 혼합물을 넣었습니다. 테트라하이드로푸란은 물 분자들의 케이지(cage) 구조 형성을 돕는 것으로 알려진 화학 물질입니다. 연구진은 이 갇힌 혼합물을 150 켈빈(K)까지 냉각했을 때, 물이 얼었습니다.
결과는 명확하고 재현 가능했습니다. 원자들이 어떻게 배열되어 있는지 관찰하기 위해 샘플에 중성자를 발사하는 강력한 장비를 사용하여, 연구진은 물이 순수하고 깨끗한 입방정계 얼음으로 변했음을 관찰했습니다. 이것은 무질서한 혼합물이 아니라, 단일하고 균일한 결정 구조였습니다. 실험 결과, 이 변형은 실리카 1그램당 0.34에서 0.60 세제곱센티미터의 공간을 액체가 채웠을 때 안정적으로 일어났습니다. 결정적으로, 연구진은 입방정계 얼음이 오직 미세한 터널과 테트라하이드로푸란의 조합 덕분에 형성되었다는 것을 증명했습니다. 연구진이 순수한 물이나 케이지를 형성하지 않는 다른 화학 물질을 사용하여 대조 실험을 수행했을 때, 물은 흔한 육방정계 얼음이나 무질서한 혼합물로 얼었으며, 순수한 입방정계 형태는 결코 나타나지 않았습니다.
이 연구는 또한 얼지 않은 부분들이 어떻게 되는지도 밝혀냈습니다. 터널 중앙의 물은 입방정계 얼음으로 변했지만, 터널 벽 근처의 얇은 액체 층은 얼지 않은 채 유리 같은 비결정질 상태로 남았습니다. 이 유리질 층에는 테트라하이드로푸란 분자들이 포함되어 있는데, 이들은 실리카 표면과 상호작용하며 그곳에서 얼음이 형성되는 것을 방해하는 것으로 보입니다. 이러한 분리는 유기 분자들이 물 분자들을 입방정계 모양으로 안내하는 데 직접적인 역할을 한다는 것을 시사합니다. 연구진은 이 갇힌 얼음이 녹는 온도를 측정하였으며, 그 결과는 230 켈빈으로 나타났는데, 이는 그러한 작은 공간 내에서의 얼음 거동과 일치합니다.
이 발견은 입방정계 얼음이 단순한 실험실의 호기심이 아니라, 자연계의 조건 하에서 존재할 수 있는 안정적인 물의 형태임을 시사합니다. 실험에 사용된 설정은 대기 중의 미세한 먼지 입자나 혜성의 얼음 알갱이에 물이 갇힐 수 있는 환경을 모사합니다. 이러한 곳에서는 유기 분자와 광물 먼지가 흔히 공존하며, 이는 연구진이 입방정계 얼음을 키우기 위해 사용한 것과 정확히 일치하는 조건을 만들어냅니다. 이번 연구 결과는 상층 대기나 우주에 있는 얼음이 대부분 무질서한 혼합 형태일 것이라는 생각을 뒤집습니다. 대신, 적절한 성분들이 존재할 때 액체 물로부터 직접 형성되는 순수한 입방정계 얼음이 이러한 환경에서 주요한 형태가 될 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 이 과정이 일반적인 압력과 상대적으로 높은 온도에서도 작동함을 보여줌으로써, 우리 우주의 가장 극한적이고 먼 구석에서 물이 어떻게 행동하는지를 이해하는 새로운 길을 열어주었습니다.
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