끓는 물속에서도 녹지 않는 얼음이 있다

요즘 며칠동안의 날씨를 돌아보면 지구온난화의 영향 때문인지 기온이 예년에 비해서 상당히 높았습니다.

그러다보니 아침과 한낮의 기온차(일교차)가 커져서 주위에 감기 환자들도 많이 보이고 마치 늦은 봄 같다는 착각을 할때가 종종 생기곤 합니다.

 

이런 식으로 2~3주만 시간이 지나가면 금방 여름이 왔다는 말이 나올지도 모르겠습니다.

그렇게 되면 자연스럽게 많은 분들이 더위를 느끼게 되면서 시원한 음료수나 빙과류,아이스크림등을 찾게 되겠지요...

그리고 더운 여름철에 아이스크림이나 빙과류를 먹다보면 으례히 느끼고 경험하는 일들이지만 아이스크림이 너무 빨리 녹아내리곤 합니다.

또한 커피나 콜라같은 음료를 차갑게 마시려고 얼음을 넣기도 하는데 이 얼음도 기온이 올라갈수록 더 빨리 녹아버립니다.

 

그런데 여름철에 우리가 종종 먹게 되는 빙과류나 얼음과는 달리 팔팔 끓는 섭씨 100도의 물속에서도 녹지 않는 특이한 얼음이 있다는 사실을 여러분은 혹시 알고 계시나요...

 

 

 

녹지 않는 얼음 아이스-7(ICE-VII)은 어떻게 발견되었나

통상 얼음은 섭씨 0도에서부터 녹아내리기 시작합니다.

그러나 노벨물리학상 수상자인 퍼시 브리지먼 박사는 "아이스-7"(ICE-VII)이라는 특이한 얼음이 있음을 일련의 실험으로 밝혀냈는데 이것은 끓는 물(섭씨 100도)속에서도 녹지 않습니다.

 

우선 아래의 얼음 분자구조를 비교해서 보아주십시오...

 

                                                        기존의 얼음 분자 구조                                                아이스-7(ICE-VII)

아이스-7(ICE-VII)의 분자 구조. 보통의 얼음구조와는 달리 수소결합의 고리가 육각형 구조의 중심부를 관통하는 형상이다. ⓒ구글 학술검색

 

 

퍼시 브리지먼 박사는 여러 화학물질에 고압을 가한 후 일어나는 현상들을 면밀히 관찰하던 고압 실험물리학자였는데 얼음에 초고압을 가해보니 얼음속의 분자나 원자간의 거리가 훨씬 가까워지고 얼음이 가지는 소위 6각형 격자구조가 더욱 촘촘해지면서 어떤 외부적인 힘에도 (열에너지!)에도 쉽게 떨어지지 않게 되는 원리를 이용해 아이스-7(ICE-VII)이라는 얼음이 존재할 수 있음을 밝혀냈던 것입니다.

(퍼시 브리지먼 박사는 고압 물리학계의 선구자적인 인물로써 우리 모두가 흔히 알고 있고 지금도 산업분야에서 널리 사용되는 인조 다이아몬드의 제조원리를 최초로 정립했으며 1946년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 퍼시 브리지먼 박사의 보다 자세한 업적과 내력을 알고 싶으신 분들은 퍼시 브리지먼 ☜여기를 클릭하세요! )

 

 

 

그런데 왜 하필이면 아이스-7(ICE-VII)이라고 이름을 지었을까요...

그렇게 이름을 정한 이유는 7이 무슨 행운의 숫자여서가 아니라 압력과 온도에 따라서 얼음이 여러가지(이를테면 아이스-4 ,아이스-6같은 식의 일련번호로 이름이 붙게 된다!) 형태로써 존재하기에 얼음의 명칭과 숫자를 그런 식으로 부여한 것입니다. 다시 아래 그림을 보세요...

 

아이스-7(ICE-VII)의 구조ⓒ구글 학술검색

 

 

 

아이스-10(ICE-X)의 구조ⓒ구글 학술검색

위에 그림을 보시면 얼음에 가해지는 압력이 높아질수록 분자구조가 더욱 촘촘해지고 얼음의 일련번호가 올라가는 것을 알게 됩니다.

 

 

얼음의 기본적인 분자 구조, 성격과 아이스-7(ICE-VII)과의 차이점

여러분도 잘알다시피 물은 액체상태일때는 활발하게 분자운동을 하다가 온도가 내려가면 분자활동이 둔화되고 수소결합의 구조가 소위 육각형 모양으로 변하면서 얼음이 됩니다.

 

 물 분자의 운동상태를 표현한 그림 ⓒ구글 학술검색

 

 

그런데 액체상태일때는 분자간 운동이 활발하다보니 빈 공간이 별로 없지만 얼음이 되면 육각형 구조가 되면서 액체상태일때보다는 상대적으로 빈 공간이 훨씬 많아지는데 아이스-7(ICE-VII)은 초고압에 의해서 그 빈 공간 주변에 띄엄띄엄 존재하던 수소결합 분자구조가 관통하면서 공간이 줄어들거나 더욱 응집되고 촘촘해지는 것입니다.

 

 

Liquid Water and Hydrogen Bonding

Concept Simulation - reenacts hydrogen bonding between molecules of liquid water.

    Ice and Hydrogen Bonding   Concept Simulation - reenacts hydrogen bonding between molecules of solid water.   

물은 액체상태일때에는 분자활동이 활발하지만 고체상태인 얼음이 되면 이런 식으로 분자활동이 현저히 둔화되고 수소 분자의 결합이 꺾이면서 육각형 구조가 생기고 가운데에 빈 공간이 생겨납니다.   ⓒ구글 학술검색 

 

   

또한 보통의 얼음은 물에 비해서 부피가 커지기 때문에 겨울이 되고 날씨가 추워지면 물이 얼음으로 변해 장독대가 깨지거나 유리컵에 금이 가기도 하지만 상대적으로 물보다는 밀도가 낮아져서 물 위에 얼음이 둥둥 뜨게 되는데 아이스-7(ICE-VII)은 밀도가 물보다 높아서 물밑으로 가라앉게 됩니다.

예를 들어 영화 타이타닉을 보시면 인간이 만든 거대한 선박 타이타닉을 일순간에 침몰시킨 거대한 빙산이 나오는데 그런 어머어마한 무게의 빙산도 바닷물위에 떠 있는 이치와 같습니다...

 

 

아이스-7(ICE-VII)의 성질에 관한 아래의 도표를 보아주십시오...

 ※Density(밀도), Dielectric Constant(절연 상수)   ⓒ구글 학술검색

 

 

위에 도표를 보시면 첫번째 칸과 두번째 칸에 기록되어 있는 얼음(특히 첫번째 칸의 얼음이 우리가 흔히 보게 되는 형태임.)이 흔히 우리가 말하는 얼음입니다.

기존의 얼음은 밀도(Density)가 물보다 작지만(온도에 따라 물의 밀도도 조금씩 변하지만 통상 물의 밀도는 1로 본다!)  아이스-7(ICE-VII)은 그렇지 않음을 쉽게 이해하실 것입니다.

또한 기존의 얼음이 6각형 구조인데 반해서 아이스-7(ICE-VII)은 큐빅 구조이며 기존의 얼음보다도 전기가 더욱 통하지 않는 성질(절연 상수의 값을 비교해보라!)이 있음도 확인할 수 있습니다. 

 

아래 도표는 밀도와 압력, 섭씨 온도에서 각 얼음의 상태를 표시한 도표(1-1) 입니다. 아이스-7(ICE-VII)의 위치를 확인해보세요...

 

 

아래는 통상적으로 액체(물),고체(얼음),기체(증기,수증기)가 분포하고 존재하는 온도와 압력간의 수치를 나타내는 도표(1-2)입니다.

  ※Solid (고체),Liquid (액체),Vapor (증기,기체),Supercritical fluid (임계상태에 도달한 액체와 기체의 중간형태의 혼합물) 

 

그렇다면 여기에서 아이스-7(ICE-VII)이 존재하는 영역은 어디쯤일까요...아래 도표(1-3)를 보아주십시오... 

도표(1-3)는 온도와 압력간의 상관관계를 표시했던 작은 도표(1-2)를 보다 확대하고 거기에 각각의 얼음이 분포하는 지점을 표시한 것입니다.

아이스-7(ICE-VII)과 기존에 우리가 알고 있는 얼음(Ih,Ic)이 존재하는 구간과 온도,압력의 상관관계를 한번 살펴보세요...

※Pressure (압력),Temperature (온도),Pa (파스칼),K (켈빈상수 ,절대온도)      ⓒWATER STRUCTURE & SCIENCE

 

◆ 파스칼(기호 Pa)는 압력에 대한 SI 유도 단위이다. 1 파스칼은 1 제곱미터 당 1 뉴턴의 힘이 작용할 때의 압력에 해당한다. 단위의 이름은 프랑스의 수학자 블레즈 파스칼의 이름을 땄다. 기상학자들은 오랫동안 기압의 단위로 밀리바를 사용했다. SI 단위계가 도입된 후에도 계속 예전 단위를 더 선호했다. 그래서 기상학에서는 밀리바와 동등한 단위인 헥토파스칼을 쓴다.          1 헥토파스칼 (hPa)  = 100 Pa = 1 mbar ,1 킬로파스칼 (kPa)  = 1000 Pa = 10 hPa  ◆ 

 

 

 

 

결론

이 시점에서 혹자는 왜 주변에서 흔히 보이는 얼음에 관해 이런 쓰잘데없는 연구가 필요하냐고 반문하거나 의문을 제기하실지도 모르겠습니다.

 

하지만 그것은 정말 하나만 알고 둘은 모르고 하시는 말씀입니다.

당장 우리의 인체를 살펴보아도 물의 비중이 70%가 넘습니다. 우리가 살고 있는 지구상의 생명체 활동에 있어서 물은 필수적인 요소입니다.

또한 지표면,토양의 변화나 풍화,화학적인 침식으로 인한 지구상의 지질학적 흔적과 미래의 변화를 가늠하고 연구함에 있어서도 물(얼음)은 중요한 영역입니다. 

따라서 지질학계에서는 원시 지구에서 한때나마 자연적으로 존재했었다고 여겨지는 고압,고온상태에서의 얼음(물)에 관한 연구를 진행중입니다.

 

마찬가지로 우리 지구외에 다른 행성에 생명활동이 있는지를 살펴보려면 우선 행성표면에 물의 존재여부를 알아보아야 하는데 얼음의 형태 연구가 그 조건을 가늠하는 중요한 지표가 될수 있다는 것입니다.

 

여러분도 알다시피 화성에서 얼음이 발견되었다고 하는데 이는 물이 존재한다는 강력한 증거이며 생명체가 존재할 수 있다는 추측을 하게 되지 않습니까...

 화성에서 발견된 얼음 분화구의 모습ⓒ구글 학술검색

 

하지만 화성은 지구보다 대기압이나 밀도,온도가 너무나 다른 조건의 행성이기에 그곳의 얼음은 분명 우리가 통상적으로 마주 대하는 지구상의 얼음과는 조금 다르다고 합니다.     바로 그런 때에 이런 얼음의 구조 연구등이 중요한 지표로 쓰이게 되는 것입니다. 

 

결론적으로 아이스-7(ICE-VII)은 단순한 흥미차원에서 발견된 것이 아니라 선구자적인 고압 실험물리학자의 고된 노력과 피나는 열정에 의해 밝혀진 산물이며 지질학,천체 물리학이나 생명체의 유무를 판단할때에도 중요한 지표로서 널리 유용하게 활용되고 있다는 점을 알아주시길 바라면서 오늘의 글을 마칩니다.

(지구상 극지의 깊숙한 저변이나 심해저상에 분포하는 얼음의 연구에도 주요한 지표로 쓰이고 있습니다.)

 

그나저나 글쓴이는 곰곰히 생각할수록 끓는 물속에서도 녹지 않는 얼음이 존재한다는 사실이 마냥 신기한데 여러분은 어떻게 생각하십니까...

 

 

P.S:

글쓴이는 책을 좋아해서 장르를 불문하고 독서를 하다보니 이전부터 물리학에서 말하는 아이스-7(ICE-VII)의 존재를 알고는 있었지만 이번에 보다 많은 분들에게 아이스-7(ICE-VII)에 관한 개념을 대략적으로나마 알리고 소개하고자 관련자료를 검색하는 과정에서 정말로 깜짝 놀랐습니다.

 

국내의 검색사이트에 올라있는 아이스-7(ICE-VII)에 관한 내용들은 어이없게도 무슨 의류 상표명이거나 고작 한 두줄의 문장에 불과한 지극히 빈약하고 엉성한 내용뿐이었으며 이 부분에 관련된 국내의 논문은 글쓴이가 워낙에 불민해서인지 한편도 찾아내지 못했습니다.

[아이스-7(ICE-VII)과 관련한 국내의 연구 논문이 게재되어 있거나 이런 식으로 내용을 소상히 다루는 사이트를 혹시 알고 있는 분이 계시다면 글쓴이에게 알려주시길 바랍니다.]

 

결국 글쓴이는 지난 토요일 하루를 잡아서 아이스-7(ICE-VII)과 관련된 내용을 전부 외국에서 소개한 논문에서 찾고 살펴볼 수 밖에 없었습니다.

그러나 이런 국내의 척박한 정보환경과는 달리 외국의 고압 물리학계에서는 자주 다루어지는 내용임을 그들의 관련 논문들을 하나하나 뒤져보고 찬찬히 살펴보면서 이번에 확실히 느끼게 되었으며 다음 블로거뉴스의 IT,과학섹션도 틀에 박힌 무슨 전자 신제품 사용후기나 블로그 운용과 관련된 글들을 위주로 다루는 것도 물론 어떤 측면에서는 좋은 점도 많겠지만 그보다는 과학적인 소양을 담은 글들의 비중이 보다 많이 늘어나서 과학에 좀더 흥미와 관심을 갖는 사람들의 조회수가 넘치는 인기코너로 자리매김하게 되기를 나름 희망해보면서 오늘의 변변치 못한 글을 마칩니다... 

 

※아이스-7(ICE-VII)에 대한 외국의 학술논문을 살펴보고 싶으신 분들은 저기와 여기☜를 클릭하세요!^^*

 

 

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