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▲Institut Laue-Langevin Communications Office

플라스틱 얼음의 존재는 이론적으로 예측돼 왔지만, 그동안 한 번도 실험으로 관측된 적이 없었다. 이번 연구는 얼음 행성의 행성물리학적 상태를 이해하는데 중요한 단서가 될 수 있다.

고온·고압 환경에서 고체지만 액체처럼 내부 원자 배열이 유동적으로 변할 수 있는 얼음이 있다. 바로 ‘플라스틱 얼음’이다. 2월 6일, 이탈리아 로마 사피엔자대, 스위스 로잔연방공대 등 국제 공동 연구팀이 ‘플라스틱 얼음 VII’을 최초로 관찰해 국제 학술지 ‘네이처’에 발표했다. doi: 10.1038/s41586-025-08750-4

얼음은 분자 배열에 따라 다양한 종류로 만들어 질 수 있다. 그중 하나가 고온 및 고압 환경에서 만들어지는 체심 입방 구조의 얼음 VII이다. 이 얼음은 내부 원자들이 고정된 위치에서 진동하는, 상대적으로 유동적인 성질을 띤다. 같은 결정 구조의 플라스틱 얼음 VII은 더 유동적이어서 물 분자가 특정한 위치에 고정돼 있으면서도 자유롭게 회전할 수 있을 것으로 예측됐다.

연구팀은 ‘준탄성 중성자 산란(QENS)’ 기법으로 플라스틱 얼음을 관찰했다. QENS는 중성자가 시료에 의해 산란될 때 발생하는 미세한 에너지 변화를 측정해 원자의 움직임을 분석한다. 연구팀은 약 177~327℃, 3~6GPa(대기압의 약 3만~6만 배) 환경에서 물 분자의 움직임을 QENS 방식으로 분석했다. 그 결과 플라스틱 얼음 VII의 물분자가 고정된 축을 따라 빠르게 회전하는 상태임을 알아냈다. 기존에는 물 분자가 더 자유롭게 회전할 것으로 예측했지만, 실제로는 고체와 액체의 중간 상태를 보인 것이다.

이번 연구는 해왕성이나 천왕성 같은, 내부가 극한의 고온·고압 상태인 거대한 얼음 행성 내부에서 열이 어떻게 이동하는지, 얼음층이 어떻게 움직이는지 등을 파악하는데 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다.