새로운 MDA 얼음의 발견과 우주의 신비

"별 헤는 밤, 얼음 속 숨겨진 드라마: 새로운 MDA 얼음의 발견과 우주의 신비"

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우리가 흔히 떠올리는 얼음은 투명하고 시원한 모습일 겁니다. 냉장고에서 꺼낸 각얼음, 겨울 호수 위에 얇게 얼어붙은 살얼음, 혹은 빙하의 거대한 푸른빛 얼음덩어리까지. 물이 얼어 만들어진 얼음은 물보다 밀도가 낮아 물 위에 뜬다는 상식은 누구나 알고 있습니다. 하지만 최근, 우리가 알고 있는 물과 얼음에 대한 모든 상식을 뒤엎는 새로운 발견이 이루어졌습니다. 마치 드라마처럼 흥미진진한 이야기가 숨겨진 새로운 얼음, 바로 'MDA(Medium Density Amorphous Ice, 중밀도 비정질 얼음)'입니다.

영하 200℃, 칵테일 제조법으로 탄생한 기적

기존의 과학적 상식을 깨부수는 MDA 얼음의 탄생 소식은 지난 2월 2일, 권위 있는 국제학술지 '사이언스(Science)'에 발표되어 전 세계를 놀라게 했습니다. 연구를 이끈 영국 유니버시티컬리지런던 연구진은 마치 칵테일을 만들 듯, 질소를 이용해 영하 200℃까지 냉각된 용기에 일반 얼음과 강철 공을 함께 넣고 격렬하게 흔드는 방식으로 MDA 얼음을 만들어냈습니다. 마치 셰프가 비밀 레시피를 사용하는 듯한 이 방법은, 산업 현장에서 재료를 으깨거나 혼합할 때 흔히 사용되는 '볼 밀링(Ball milling)' 기술에서 영감을 얻은 것이라고 합니다.

이 극단적인 과정을 거친 얼음은 단순히 작은 조각으로 부서지는 것을 넘어, 지금껏 인류가 경험하지 못했던 놀라운 특성을 가진 새로운 얼음으로 재탄생했습니다. 마치 드라마 속 주인공이 예기치 못한 시련을 겪고 더욱 강인하게 성장하는 것처럼 말이죠. 연구진은 이 새로운 얼음에 'MDA(Medium Density Amorphous Ice, 중밀도 비정질 얼음)'라는 이름을 붙였습니다.

MDA는 겉으로 보기에는 마치 곱게 빻은 하얀 가루처럼 보입니다. 하지만 그 속을 들여다보면 더욱 기묘한 세계가 펼쳐집니다. 액체 상태에서 자유롭게 떠돌아다니던 분자들이 규칙적으로 배열되어 고체 상태로 변하는 것이 일반적인 '결정' 얼음의 모습입니다. 하지만 MDA는 고체임에도 불구하고 분자 배열이 액체처럼 불규칙적인 '비결정' 상태를 유지합니다. 마치 드라마 속 예측 불가능한 전개처럼, MDA는 일반적인 얼음의 정의를 벗어나는 독특한 존재인 것입니다.

비결정 얼음의 역사: LDA와 HDA, 그리고 MDA의 등장

사실, 비결정 상태의 얼음이 발견된 것이 이번이 처음은 아닙니다. 1930년대 과학자들은 영하 110℃까지 냉각된 금속 표면에 수증기를 부착시켜 물보다 밀도가 낮은 '저밀도 비정질 얼음(LDA)'을 제작했습니다. 이 저밀도 비정질 얼음은 우주에서 가장 흔하게 발견되는 얼음 형태로 알려져 있습니다. 이후 1980년대에는 일반 얼음을 영하 200℃의 극한 저온 환경에서 압축하여 '고밀도 비정질 얼음(HDA)'을 만들어내는 데 성공했습니다.

하지만 저밀도와 고밀도 사이, 즉 물과 비슷한 밀도에서는 비결정 얼음이 존재할 수 없다는 것이 과학계의 정설이었습니다. 마치 드라마 속 불가능해 보이는 미션처럼 여겨졌던 것이죠. 하지만 이번 연구는 이 오랜 정설을 깨고, 물과 거의 동일한 밀도를 가진 중밀도의 비결정 얼음이 존재할 수 있음을 증명했습니다. 이는 마치 드라마의 클라이맥스에서 주인공이 예상치 못한 방식으로 난관을 극복하는 장면과 같습니다.

연구를 이끈 크리스토프 잘츠만 유니버시티컬리지런던 화학과 교수는 "인류는 지금까지 20가지 형태의 결정 얼음과 2가지 형태의 비결정 얼음을 발견했음에도 불구하고, 여전히 물에 대한 모든 것을 알지 못했다는 사실을 깨달았습니다."라고 말했습니다. 마치 드라마 작가가 끊임없이 새로운 이야기를 발굴하는 것처럼, 과학자들은 물이라는 단순해 보이는 물질 속에서 끊임없이 새로운 질문을 던지고 답을 찾아나가는 것입니다.

우주의 숨겨진 별, 가니메데에 MDA가 존재할까?

연구진은 새롭게 발견한 MDA가 드넓은 우주에 존재할 가능성이 있다고 조심스럽게 예측했습니다. MDA는 극도로 차가운 온도에서 끊임없이 파쇄되는 과정을 거치면 만들어질 수 있기 때문에, 목성의 위성인 가니메데와 유로파, 토성의 위성인 엔셀라두스 등 얼음으로 뒤덮인 위성에서 생성될 가능성이 높다는 것입니다. 마치 드라마 속 숨겨진 섬처럼, 우주 곳곳에 MDA가 존재할 수 있다는 상상은 우리를 설레게 합니다.

이들 위성을 덮고 있는 두꺼운 얼음층은 행성의 기조력에 의해 끊임없이 흔들리고 깨지며 서로 부딪히는 과정을 반복합니다. 이 과정에서 중밀도 비정질 얼음이 만들어질 수 있다는 것이 연구진의 설명입니다. 만약 MDA가 실제로 존재한다면, 이 얼음은 위성의 지각 활동에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

이번 연구에서 연구진은 MDA를 가열하는 실험도 진행했습니다. MDA가 생성된 온도인 영하 200℃에서 서서히 온도를 높여 영하 120℃까지 가열하자, MDA는 점차 일반적인 얼음의 구조로 변화하기 시작했습니다. 흥미로운 점은, 가열과 동시에 MDA에서 열이 방출되었다는 것입니다. 연구진은 볼 밀링 과정에서 가해진 기계적인 에너지가 MDA 내부에 저장되었다가, 가열 과정에서 방출되는 것으로 추정하고 있습니다. 마치 드라마 속 주인공의 과거 상처가 치유되는 과정에서 고통이 수반되는 것처럼 말이죠.

만약 위성에서도 이와 유사한 변화가 일어난다면, 위성의 온도가 상승함에 따라 비정상적인 열이 방출되어 위성의 지각 활동에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 수 킬로미터 두께의 얼음이 움직이는 지각 운동이나, 얼음에서 발생하는 지진인 '빙진', 심지어 극저온 화산 활동까지 중밀도 비정질 얼음에 의해 촉진될 수 있다는 것입니다. 이는 마치 드라마 속 숨겨진 비밀이 밝혀지면서 이야기가 예상치 못한 방향으로 흘러가는 것과 같습니다.

잘츠만 교수는 "물은 생명의 근본이며, 우주에서 물을 기반으로 생명체의 흔적을 찾기 위한 다양한 탐사가 진행되고 있지만, 우리는 아직 물에 대한 모든 것을 이해하지 못하고 있습니다."라며, "이번 MDA 얼음의 발견은 얼음을 넘어 모든 상태의 물에 대한 새로운 질문을 던지는 계기가 될 것입니다."라고 강조했습니다.

마치 미완성 드라마처럼, 물과 얼음에 대한 우리의 이해는 여전히 진행 중입니다. MDA 얼음의 발견은 우리가 상상하지 못했던 새로운 가능성을 열어주었으며, 앞으로 더 많은 연구를 통해 우주의 신비를 밝혀낼 수 있을 것으로 기대됩니다.