고체이면서 액체인 ‘초이온 물 얼음’

2018.03.19 10:00

미국 연구팀이 이론적으로만 예측됐던 ‘초이온 물 얼음(Superionic Water Ice)’의 존재 가능성을 처음으로 확인하고 국제학술지 ‘네이처 피직스’ 2월 5일자에 발표했다.

 

초이온 물 얼음의 내부를 형상화한 이미지. 산소 원자가 격자를 이루고 그 사이에서 수소 이온이 빠르게 퍼져나가고 있다. -S. Hamel, M. Millot, J.Wickboldt, LLNL, NIF 2 제공
초이온 물 얼음의 내부를 형상화한 이미지. 산소 원자가 격자를 이루고 그 사이에서 수소 이온이 빠르게 퍼져나가고 있다. -S. Hamel, M. Millot, J.Wickboldt, LLNL, NIF 2 제공

초이온 물 얼음은 완전히 새로운 형태의 물(얼음)로, 고체인 동시에 액체 상태다. 물 분자가 수천
도에 이르는 고온에서 강한 압력을 받으면 산소가 격자처럼 결정을 이룬 구조 위로 수소 이온이 물처럼 흘러 다니는 상태가 된다. 학계에서는 온도와 압력이 높은 천왕성과 해왕성의 내부에 초이온 물 얼음이 있을 것으로 추정해왔다.

 

마리우스 밀로 미국 로렌스리버모어연구소 연구원팀은 초이온 물 얼음의 존재 가능성을 실험으로 처음 확인했다. 연구팀은 대기압의 2만5000배가 넘는 초고압에서 물을 압착시킨 얼음에 고출력 레이저 펄스를 쪼여 수천 도의 고온에서 초이온 물 얼음이 안정적으로 존재하는 상황을 만드는 데 성공했다.

 

이 물질의 광학적인 특징을 조사한 결과 녹는점과 이온 전도도가 매우 높다는 사실이 확인됐다.
이는 이론적으로 예측한 초이온 물 얼음의 성질과 동일했다. 연구에 참여한 레이먼드 지안로즈
버클리대 지구·행성물리 및 천문학과 교수는 “천왕성과 해왕성에 형성된 독특한 자기장을 설명
하기 위해 내부에 초이온 물 얼음이 존재할 것으로 예상됐다”며 “이번 실험 결과는 이 이론을 지지하는 근거”라고 말했다.

 

doi:10.1038/s41567-017-0017-4

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