[과학을읽다]세상에 없던 '얼음' 발견…외계생명체 찾을까?

영국 런던칼리지대 연구팀
'중간 밀도 무정형 얼음' 발견
"밀도 물>얼음 상식 깨고 물=얼음"
"외계생명체 탐색에 힌트 될 수도"

[아시아경제 김봉수 기자] 물은 물리적으로 굉장히 특이한 물질이다. 일반적인 물질들은 고체일때 액체보다 밀도가 높다. 하지만 물은 정반대다 얼음이 물보다 더 밀도가 낮고 부피가 더 크다. 그런데 과학자들이 액체 물과 밀도가 동일한 고체 얼음을 찾아냈다. 목성 유로파 위성 등 얼음이 존재하는 외계 행성 탐사때 생명체 존재 여부를 예측할 수 있는 힌트를 준다는 분석이다.

영국 런던칼리지대(UCL) 연구팀이 중간 밀도 무정형 얼음(medium-density amorphous ice)을 만들기 위해 구상한 실험 모델. 사진출처=UCL

영국 런던칼리지대 연구팀은 2일(현지시간) 국제 학술지 사이언스에 실린 논문을 통해 이같은 연구 결과를 보고했다. 연구팀은 이 얼음을 '중간 밀도 무정형 얼음( medium-density amorphous ice)'이라고 명명했다. 영하 200도에서 작은 용기에 일반 얼음과 스텐인리스 볼을 넣고 초당 20회씩 흔들어 이전에 본적이 없는 변종 얼음을 만들었다.

일반적인 물은 얼면서 결정화되고 분자는 육각형의 단단한 구조로 배열된다. 특이한 것은 얼음이 물보다 밀도가 낮다는 것이다. 대부분의 물질들이 고체 형태일때 더 밀도가 높은 것과는 다른 물만의 특별한 성질이다. 또 물은 어는 속도와 압력에 따라 24개의 형태를 띈다. 하지만 무정형 얼음은 분자들이 우연히 결합하기 때문에 일정한 형태가 없다. 이미 수십년 전에 영하 150도 이하의 낮은 온도인 매우 차가운 금속 표면에 물이 맺혀 얼음이될 경우 저밀도 무정형 얼음이 형성된다는 사실이 밝혀졌었다. 또 같은 상황에서 고압의 압력을 주면 고밀도 무정형 얼음이 생겨난다. 두 종류 모두 지구에서는 흔하지 않지만 우주에서는 혜성(저밀도 무정형 얼음) 등에서 자주 발견된다.

연구팀은 광물 재료를 갈거나 혼합하는데 사용하는 도구인 스텐인리스 볼을 사용해 결정화된 얼음을 분쇄했다. 영하 200도의 극저온 상태에서 내부에 스테인리스 볼이 들어 있는 용기에 소량의 얼음을 넣고 초당 약 20회 정도의 속도로 흔들었다. 그러자 스테인리스 볼은 얼음에 전단력(Shear force)을 형성해 흰색 가루로 만들었다. 이후 X-선 회절기를 이용해 이 흰색 얼음 가루의 구조를 확인했다. 연구팀은 이 흰색 얼음 가루가 액체 물과 동일한 밀도를 갖고 있다는 사실을 확인했다. 분자 구조도 얼음의 특성인 6각형 대신 명확한 질서가 없는 부정형이었다.

추가 연구가 필요하지만 만약 이번 발견이 사실이라면 기존 물에 대한 연구와 상식을 크게 바꿔 놓을 것이라는 게 과학자들의 지적이다. 기존에도 무정형 얼음이 발견됐지만 밀도는 액체 물보다 훨씬 낮거나 훨씬 높아 차이가 있다.

마틴 채플린 영국 런던사우스뱅크대 교수는 "액체 물은 특이한 물질로 아직 우리가 많이 알고 있지 못하다"면서 "중간 밀도 무정형 얼음이 실제로 액체 물과 연결돼 있다면 기존 이론은 틀리다는 것으로 얼음 연구의 새로운 장이 열릴 것"이라고 말했다.

미국 항공우주국(NASA), 유럽우주국(ESA)이 공동 기획 중인 목성의 유로파 위성 탐사 상상도. 사진출처=NASA

외계 행성 탐사에도 영향을 끼칠 전망이다. 우리 태양계 내 목성의 유로파, 토성의 엔셀라두스 위성이 표면 얼음이 관측돼 생명체 존재 가능성이 거론된다. 그런데 해당 위성들에서도 조석력 때문에 얼음들이 서로 부딪혀 전단력이 발생할 경우 연구팀이 발견한 것과 같은 중간 밀도 무정형 얼음이 존재할 수 있다. 얼음들의 밀도가 높아지면 표면이 갈라져 금이 발생하고 대규모 붕괴가 일어나며, 이는 해당 위성들의 표면 지형에 큰 영향을 끼친다. 따라서 과학자들은 이같은 중간 밀도 무정형 얼음들이 해당 위성 표면에도 존재할 경우 생명체 존재 여부에 긍정적인 신호라고 보고 있다.

마리우스 밀럿 미국 로런스 리버모어 국립연구소 연구원은 "유로파나 엔셀라두스 등의 위성에 생명체가 존재할 수 있는 지 여부를 결정하는 주요 요소 중 하나는 바닷물과 암석 사이에 생명체가 나타날 수 있는 중간 지대가 있냐는 것"이라며 "무정형 얼음이 존재한다면 단서가 될 수 있다"고 말했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr