‘따뜻한 아이스 커피’ 가능할까…상온서 얼음 만드는 데 성공

2019.05.30 19:06
한국표준과학연구원 연구팀이 자체 개발한 기술로 급속도로 압력을 높여 상온의 얼음을 만드는 모습을 촬영했다. 100밀리초(1밀리초는 1000분의 1초) 지날 무렵에 이미 3차원의 팔면체가 형성돼 있다. 하지만 이보다 더 급속도로 압력을 높이면 입체가 아니라 평명 형태의 다른 결정 구조를 형성한다는 사실도 밝혔다. 압력을 조절해 얼음의 결정을 조절할 수 있는 길이 열린 것이다. 사진제공 PNAS
한국표준과학연구원 연구팀이 자체 개발한 기술로 급속도로 압력을 높여 상온의 얼음을 만드는 모습을 촬영했다. 100밀리초(1밀리초는 1000분의 1초) 지날 무렵에 이미 3차원의 팔면체가 형성돼 있다. 하지만 이보다 더 급속도로 압력을 높이면 입체가 아니라 평명 형태의 다른 결정 구조를 형성한다는 사실도 밝혔다. 압력을 조절해 얼음의 결정을 조절할 수 있는 길이 열린 것이다. 사진제공 PNAS

농담처럼 이야기되던 ‘따뜻한 아이스 커피’를 만들 수 있을까. 국내 연구팀이 온도는 상온 상태를 유지한 채 압력만 급속도로 높여 따뜻한 얼음을 만드는 데 처음 성공했다. 결정도 자유자재로 바꿀 수 있어, 얼음 결정 때문에 겪는 냉동식품의 품질저하 등 문제도 해결할 수 있을 것으로 기대된다.


한국표준과학연구원은 이윤희, 이수형, 이근우 융합물성측정센터 책임연구원팀이 자체 기술로 물을 1만 기압 이상 압축해 상온 상태의 얼음을 만드는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 


물은 온도가 낮아지거나 강한 압력을 받으면 언다. 하지만 지상에서 받는 공기의 압력(대기압)보다 1만 배 이상 큰 초고압 조건을 인위적으로 만들고 제어해야 하기에, 그 동안 이론상으로만 가능한 일로 여겨졌다. 


표준연 연구팀은 1초에 대기압의 500만 배까지 급속도로 압력을 높이거나 낮출 수 있는 장치인 ‘실시간 동적 다이아몬드 앤빌셀’을 세계 최초로 개발해 이 문제를 해결했다. 연구팀은 이 장치 안에서 물을 넣고 급속도로 압축해 상온 상태의 따뜻한 얼음을 만들 수 있음을 확인했다.

 

또 압력을 세밀히 조절해 얼음의 결정을 바꾸는 데에도 성공했다. 얼음 결정 조절을 마음대로 할 수 있는 길이 열린 것이다. 연구팀은 기기에 설치된 초고속 영상기록기술을 이용해 결정을 분석하고, 이후 압력을 세밀하게 조절하는 방법으로 기존에 형성된 얼음 결정(입체인 팔면체 모양)을 납작한 평면 형태의 결정(날개 모양)으로 바꿨다.  

 

연구팀은 얼음을 온도가 아닌 압력으로 제어하는 이번 기술로 얼음 때문에 벌어지는 여러 가지 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대했다. 자연계에서 얼음이 가질 수 있는 결정 형태는 육각판과 기둥, 뿔 등 1만 가지 이상이다. 그런데 이 가운데 일부는 주변의 물체를 손상시켜 제품의 품질이나 안전에 영향을 미친다. 연구팀은 압력을 조절해 얼음 결정을 바꿈으로써 문제를 해결할 수 있다고 봤다.

 

연구팀이 보다 급속한 속도로 압력을 높여 만든 얼음. 위와 달리 18밀리초 정도의 짧은 시간에 납작한 평면을 형성한다. 사진제공 PNAS
연구팀이 보다 급속한 속도로 압력을 높여 만든 얼음. 위와 달리 18밀리초 정도의 짧은 시간에 납작한 평면을 형성한다. 사진제공 PNAS

예를 들어 고기를 냉동시키면 바늘처럼 뾰족한 육각형 얼음결정이 생겨 세포와 조직이 손상된다. 냉동 고기의 육질이 떨어지는 이유다. 이윤희 책임연구원은 “고압 냉동기술을 활용해 식품의 맛과 신선도를 유지하는 새로운 얼음 결정을 만들 수 있다”며 “냉동공정 역시 새롭게 만들 수 있다. 현재 신선식품 물류에 사용하는 콜드체인 시스템에 적용하면 식품의 상품성이 더욱 향상될 것”이라고 말했다. 

 

비행기 날개에 생기는 얼음은 독특한 결정으로 날개의 모양에 영향을 줘 날아오르는 힘(양력)을 떨어뜨릴 수 있다. 안전에도 영향을 미치기 때문에 결정을 변화시켜야 하는데, 새로운 얼음 조절 기술이 이런 위험한 얼음을 제어하는 데 도움이 될 것이라고 연구팀은 전망했다.

 

이근우 책임연구원은 “이번 기술은 다양한 결정구조에 활용할 수 있어 응용분야가 무궁무진하다”라며 “초고압과 같은 극한 환경에서는 새로운 물질의 특성을 발견할 수 있어 한계에 부딪힌 과학기술을 새로운 차원으로 끌어올릴 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 미국국립과학원회보 4월 15일자에 발표됐다.

 

실제로 형성된 얼음을 촬영한 이미지. 사진제공 한국표준과학연구원
실제로 형성된 얼음을 촬영한 이미지. 사진제공 한국표준과학연구원

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