▲KRISS

한국표준과학연구원(KRISS) 김민주 박사후연구원(왼쪽)과 이윤희 책임연구원이 동적 다이아몬드 앤빌 셀(dDAC)을 이용해 높은 압력에서 물이 결정화되는 과정을 관찰하고 있다(위). 아래는 dDAC의 내부 모습. 한 쌍의 다이아몬드가 물에 압력을 가한다.

한국표준과학연구원(KRISS)이 이끈 독일, 미국, 일본 등 국제 공동연구팀이 얼음의 21번째 결정상 ‘얼음 XXI(Ice XXI)’을 세계 최초로 발견했다. 연구 결과는 10월 10일 국제학술지 ‘네이처 재료과학’에 발표됐다. doi: 10.1038/s41563-025-02364-x

얼음은 0℃ 이하에서 물이 응고해 생긴다고 알려져 있다. 그런데 이는 1기압일 때의 일이다. 압력이 달라지면 상온이나 물이 끓는 고온에서도 얼음이 만들어진다. 각각의 온도와 압력 조건에 따라 생기는 얼음의 종류는 다양하다. 물 분자가 배열돼 결정을 만드는 양상(결정상)이 다양하기 때문이다. 현재까지 발견된 얼음 결정상은 총 20종이었다.

21번째 결정상을 찾는 데에는 KRISS 우주극한측정그룹이 자체 개발한 ‘동적 다이아몬드 앤빌 셀(dDAC)’이 결정적인 역할을 했다. 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)은 다이아몬드 두 개 사이에 시료를 넣어 고압을 주는 장치다. 물은 갑작스러운 압력 변화에도 금세 얼음으로 바뀌므로, 새로운 형태의 얼음을 발견하기 위해서는 압력을 미세하게 조절해야 한다. dDAC에는 압력을 가할 때 충격을 최소화하는 미세 변위제어 장치가 적용돼 미세한 압력 조절이 가능했다.

연구팀은 dDAC를 이용해 물을 반복적으로 압축하고 감압하면서 기존에 알려진 얼음 VI의 동결-융해 경로를 찾았다. 이를 통해 상온에서 2만 기압이 넘는 초고압 상태의 액체 물이 얼음으로 변하는 새로운 얼음상의 형성 과정을 관측할 수 있었다. 이 과정을 독일 셰네펠트에 위치한 세계 최대 규모의 X선 레이저 시설, ‘유러피언 XFEL’에서 수 마이크로초(μs·1 마이크로초는 100만분의 1초) 단위로 관측해, 물이 결정화되는 경로도 함께 밝혔다.

새롭게 발견된 형태의 얼음에는 얼음 XXI라는 이름이 붙었다. 얼음 XXI는 납작한 직육면체 형상의 결정 구조를 가졌다.
연구를 이끈 이근우 우주극한측정그룹 책임연구원은 과학동아와의 인터뷰에서 “이번에 발견한 얼음 XXI은 현재까지 알려진 얼음 중에 가장 복잡한 구조를 가졌으며, 준안정상태라 관측이 매우 어렵다”고 말했다. 같은 그룹 이윤희 책임연구원은 보도자료에서 “얼음 XXI의 밀도는 목성과 토성의 얼음 위성 내부에 존재하는 초고압 얼음층과 비슷한 수준”이라면서 “이번 발견이 극한 환경에서 우주 생명체의 근원을 탐색하는 단서를 제공할 수 있다”고 했다.