'뜨거운 얼음' 존재하는 세계 : 초고압으로 '제15상의 얼음'을 생성

얼음에는 다수의 결정체가 있으며 초고압이라면 '수백도의 얼음'도 존재한다. 지금까지 존재가 예측되었으나 유일하게 확인되지 않았던 'XV상'의 얼음이 실험실 환경에서 처음 생성되었다.

얼음의 위상은 물의 분자가 얼마나 긴밀하게 어떤 구조로 배열되어 있는지에 따라 얼음을 분류한 것이다. 이들은 발견 순으로 명명되어 있다. 이번에 XV상의 얼음을 발견하였고 이에 지금까지 확인된 얼음의 형태는 총 16가지가 되었다 ( 'I상' 얼음에는 2종류가 있다). 연구진은 이전부터 XV상 얼음의 존재를 예언했지만, 지금까지 확인되지 않았다.

Diag phase glace https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Diag_phase_glace.png

그러나 지구상에서 볼 수 있는 얼음 대부분은 I상 얼음 중 'Ih상'라는 것이다. h는 육각형의 '육방'을 나타내는 hexagonal의 머리글자에서 따온 것으로, 눈의 결정이 육각형인 것은 이 때문이다.

"우리는 물의 위상 다이어그램에서 물음표를 제거했다"고 영국의 옥스포드대학의 Christoph Salzmann 박사는 말한다. 위상 다이어그램(상태 다이어그램, phase diagram)은 임의의 기압과 온도의 경우 분자가 어떤 운동을 하는지를 도식화한 것이다.

미확인이었던 XV상 얼음을 생성하기 위해 Salzmann 박사팀은 다른 'VI상' 얼음의 온도를 낮추어갔다. 온도를 130켈빈(섭씨 마이너스 143도)까지 낮추고 압력을 1기가파스칼(약 1만 기압)으로 유지하자, VI상 얼음의 무질서한 수소원자의 결합이 갑자기 규칙적인 긴밀한 구조가 되었고 XV상 얼음이 생성되었다.

영문 Wikipedia에 따르면, VI상은 실온 정도의 270K/1.1Gp. XV상은 VI상이 '양성자 질서화'한 상태이다. 얼음은 아이스 룰이라는 제약이 있어, 얼음의 수소원자(양성자)가 존재하는 평형위치는 절대영도에서도 질서화하지 않고 임의이며 열역학 제3법칙(절대 영도의 모든 원자는 질서화하고 엔트로피는 제로에 가까워진다)에 맞지 않지만, 어떤 종류의 작업으로 양성자 질서화가 가능하다고 한다

기존의 예측에 따르면 XV상 얼음은 강유전체, 즉 전하를 전달 수 있는 것으로 예측되었다. 얼음에 이러한 특성이 있다면, 행성의 지형과 관련된 현상이 일어났을 때 흥미로운 영향을 미쳤을지도 모른다고 Salzmann 박사는 말한다. 하지만 실제 만들어진 XV상 얼음은 전하가 모두 무효가 되는 형태로 물 분자가 배열되어 있었다.

XV상 얼음은 고압 · 저온 환경에서 안정되기 때문에, 그것이 존재할 수 있는 환경은 우주의 어딘가 얼음으로 뒤덮인 행성이나 위성의 땅속 깊은 곳일 것이라고 Salzmann 박사는 말한다. 지구상에서는 XV상 얼음이 안정된 상태를 유지하는 고압의 환경이 초고온도가 되어 버리므로, XV상 얼음이 존재할 수 없다고 박사는 말한다.

 
출처 참조 번역
「熱い氷」がある世界：超高圧で「第15相の氷」を生成
https://wired.jp/2009/09/15/%E3%80%8C%E7%86%B1%E3%81%84%E6%B0%B7%E3%80%8D%E3%81%8C%E3%81%82%E3%82%8B%E4%B8%96%E7%95%8C%EF%BC%9A%E8%B6%85%E9%AB%98%E5%9C%A7%E3%81%A7%E3%80%8C%E7%AC%AC15%E7%9B%B8%E3%81%AE%E6%B0%B7%E3%80%8D%E3%82%92/