얼음과 액체 사이 경계, 최초로 직접 관측

일본 고베대

관측이 불가능했던 얼음과 물 사이 경계를 직접 관찰한 연구 결과가 나왔다. Olga Chetvergova/게티이미지뱅크 제공.

스케이트 날이 얼음 표면을 지나는 순간 얼음은 액체 상태의 물이 된다. 얼음과 액체 간 전환은 순식간에 일어나기 때문에 얼음과 물 사이의 경계면을 직접 관찰하는 것은 그동안 불가능했다. 일본 연구팀이 새로운 아이디어를 내 처음으로 얼음과 액체 사이의 경계를 확인했다. 

오니시 히로시 일본 고베대 화학과 교수 연구팀은 얼음과 액체 사이 경계면에서 얼음 모양을 직접 관찰한 결과를 9일 국제학술지 ‘화학 물리학’에 발표했다. 

얼음 표면에는 얇은 물층이 쉽게 형성된다. 얼음과 물층 사이의 상호작용을 이해하려면 경계면 관측이 필요하다. 연구팀은 경계면 관측을 위해 경계면의 운동성을 최소화할 수 있는 조건을 만들었다. 0℃보다 차가운 부동액에 얼음을 담가 관측한 것이다. 부동액은 액체의 어는점을 낮추기 위해 첨가하는 액체로 0℃에서도 액체 상태를 유지한다.

연구팀은 얼음과 액체 사이의 경계면을 관찰하기 위해 현미경 냉각했다. 오니시 교수는 “부동액에서는 얼음이 녹지 않고 얼음과 액체 사이의 경계면이 큰 움직임을 보이지 않기 때문에 관찰할 수 있는 조건이 형성된다”며 “다양한 시행착오를 거쳐 현미경 시스템 또한 냉각해야 한다는 점을 알게 됐다”고 설명했다. 원자현미경이 영하의 온도에서 안정적으로 작동할 수 있는 기술도 더했다. 

이를 통해 연구팀은 액체와의 경계면이 형성되지 않은 얼음과 경계면이 형성된 얼음을 각각 관찰했다. 주변에 액체가 없는 얼음은 약 20나노미터(nm) 높이의 ‘서리 기둥’이 특징적으로 나타났고 부동액에 담가 액체와 경계면이 생긴 얼음은 평평한 형태를 보였으며 간혹 분자 하나 높이의 층이 형성됐다. 

연구팀은 “부동액 속 얼음의 평평한 표면은 부동액으로 인한 얼음 표면의 부분적인 용해와 재결정화에 의해 형성되는 것으로 보인다”고 설명했다. 

연구팀은 부동액 종류에 따라 얼음 표면이 각기 다르게 보인다는 점도 관찰했다. 얼음과 액체 사이의 경계면은 직접 관측 과정이 중요하다는 설명이다. 오니시 교수는 “다음 연구에서는 더욱 높은 해상도로 관측할 수 있도록 원자현미경 이외의 측정 방법을 사용할 수 있길 기대한다”며 후속 연구에 대한 목표도 제시했다. 

<참고 자료>
doi.org/10.1063/5.0211501

[문세영 기자 moon09@donga.com]