얼음 형성의 이해

최근 주사 터널링 현미경(scanning tunnelling microscopy)과 이론 모델을 통해 얼음이 어떻게 형성되는지가 이해될 수 있었다. 런던 나노테크놀러지 센터(London Centre for Nanotechnology)의 안젤로스 마이클리데스(Angelos Michaelides)와 하노버 레이브니즈 대학(Leibniz University of Hanover) 카리나 모르겐스턴(Karina Morgenstern) 연구진은 가장 작은 얼음 조각인 고리형태의 육합체 물(cyclic water hexamer)을 이미징할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 얼음 응집에 대한 분자 수준의 정보를 제공할 뿐 아니라 대기권에서 먼지 입자 주변으로 얼음이 어떻게 형성되는지를 이해하는데 도움이 될 전망이다.

우리는 일상 생활에서 물이 얼음으로 응집되는 모습에 친숙해져 있다. 하지만, 오래 전부터 연구되었음에도 불구하고 과학자들은 여전히 얼음이 어떻게 형성되는지를 분자수준에서 완벽히 이해하지 못하고 있다. 특히 염 혹은 모래와 같은 마이크로 크기의 “씨앗” 입자, 다시 말해 “얼음 응집제(ice-nucleating agent)”가 존재하는 소위 비균질 촉매 응집의 경우 이해된 것이 거의 없다고 해도 무방하다.

또한 얼음에 대한 새로운 사실이 계속적으로 발견되고 있다. 예를 들어, 일반적인 얼음에 비해 밀도가 매우 높은 5번째 초고밀도 무정형 얼음(very high density amorphous ice)이 발견되었고(GTB2002110358), 높은 압력 아래 4K~50K의 저온에서 얼음의 새로운 상태가 있음을 암시하는 분광 증거가 발표되었으며(GTB2005041317), 또한 섭씨 -160도에서 냉각된 새로운 두 형태의 얼음이 발견되기도 하였다(GTB2006031428).

하지만 마이클리데스 및 모르겐스턴 연구진은 주사 터널링 현미경을 이용하여 절대 온대 5 K이하로 냉각된 소수성 금속 표면(hydrophobic metallic surface)에 형성된 육합체(hexamer) 물을 분석할 수 있었다. 더불어 “거대 병렬” 슈퍼컴퓨터를 이용한 첫째 원리 이론 계산(first-principle theoretical calculations)을 통해 연구진은 물 분자 사이에서 번갈아 가며 짧고 긴 결합을 갖는 패턴을 확인할 수 있었다. 일반적으로 물 분자는 얼음에서 동일한 강도로 결합되어 있다고 생각되었기 때문에 이러한 결과는 놀랍다. 한편 액체에서 고체로 상 변환되는 512개의 물 분자에 대한 시뮬레이션을 통해 수소 결합에 대한 새로운 생각의 초석이 마련되기도 하였다(GTB2002031027).

다시 말해 이러한 결과는 응집상에서 강한 결합력을 유지하는데 중요한 물리적 힘인 수소 결합(hydrogen bonds)에 대한 새로운 시각을 조명하는 것이다. 연구진은 최초로 금속 표면에 결합된 물 분자와 수소결합을 수용하는 물 분자간의 특정한 경쟁 상황을 동시에 확인할 수 있었다.

본 연구 결과는 고체 표면에 형성된 물 클러스터 구조에 대한 새로운 사실이라고 마이클리데스는 말했다. 본 연구는 대기 화학, 천체물리, 생물학 분야와 같이 계면 물의 분자 수준 이해가 요구되는 모든 학문에 파급될 잠재성을 갖고 있다고 그는 말을 이었다.

연구진의 관심 사항은 얼음 응집의 이해뿐 아니라 응집이 구름 형성 및 환경 화학에 어떻게 연관되어 있는지를 탐구하는 것이다. 이러한 연구 분야는 물이 에어로졸(aerosols) 및 대기의 먼지 입자와 어떻게 상호작용하는지를 이해하는데 도움이 될 전망이다. 본론에 대한 연구 성과는 Nature Materials에 게재되었다.

정보제공 : 한국과학기술정보연구원(KISTI) 해외과학기술동향
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