꽁꽁 언 얼음도 완벽한 고체 상태 아니라고? [달콤한 사이언스]

얼음 위 스케이팅이 가능한 이유는 스케이트 날의 압력으로 얼음이 미세하게 녹아 얇은 수막이 생기기 때문이라고 설명한다. 그렇지만 압력 없이도 얼음 표면이 미세하게 녹아 있는 준용웅층이 있으며, 그 두께는 나노미터 수준이라는 사실이 밝혀졌다. 픽사베이 제공

눈과 얼음으로 대표되는 계절, 겨울이 되면 떠오르는 스포츠는 당연히 스케이트와 스키다. 스키나 스케이트를 타고 얼음과 눈 위를 미끄러질 수 있는 이유는 단순히 미끄러운 표면 덕분이 아니라 복잡한 물리학적 현상이 작용한다. 좁은 스케이트 날이 얼음에 압력을 가하면 순간적으로 녹아 얇은 수막이 형성되는 압력 융해나 압력 없이도 얼음 표면이 미세하게 녹아 있는 준용융층(Premelting Layer)이기 때문에 가능하다는 것이다. 그런데, 과학계에서 준용융층의 두께는 어느 정도인지, 실제로 존재하는지에 관해 오랫동안 논쟁을 벌여왔다.

이런 상황에서 스페인 마드리드 콤플루텐세대 물리화학과 연구팀은 준용융층의 두께를 측정하는 데 성공했다는 연구 결과를 물리학 분야 국제 학술지 ‘화학 물리학 저널’ 1월 21일 자에 발표했다.

냉장고 냉동실에 있는 얼음은 눈구름 속에서 형성되는 단결정이나 겨울철 강이나 호수에 형성된 얼음과는 완전히 다르다. 얼음 결정은 육각 기둥부터 납작한 판 모양, 그리스식 기둥 모양까지 다양한 형태로 자란다. 이런 구조적 변화가 어떻게 일어나는지는 여전히 수수께끼다. 이에 대해 ‘전자기학의 아버지’로 불리는 영국의 물리학자이자 화학자인 마이클 패러데이는 ‘녹는점 이하의 얼음의 표면에 미세한 얇은 수막을 갖고 있다’는 가설을 내놨다. 패러데이가 제시한 준용융층의 두께와 존재 여부에 대해서 서로 모순되는 증거들이 많아 논란이 계속돼 왔다.

이런 논쟁을 종식하기 위해 연구팀은 얼음의 ‘상태도’(phase diagram)에 주목했다. 상태도는 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체 상태의 물이 어떻게 존재하는지를 나타낸 도표다. 도표에는 세 가지 상태가 모두 같이 안정적이고 완벽한 평형 상태로 공존하는 ‘삼중점’이 있다.

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얼음 표면의 분자 움직임을 시각화했다. 그 결과, 삼중점에서 나노미터 두께의 얇은 막이 있다는 것이 확인됐다. 지금까지 많은 실험에서는 이보다 훨씬 두터운 막이 있다고 보고됐지만, 연구팀은 실험이 의도치 않게 삼중점 평형 상태에서 약간 벗어난 채 진행됐기 때문이라고 지적했다. 평형은 하나의 ‘점’이기 때문에 사람이 하는 실험에서는 그 점에 최대한 근접할 수는 있지만, 정확히 그 지점에 머물 수는 없기 때문에 미세한 편차만으로도 평형에서 벗어나게 되고 현상을 측정하기 어렵게 한다고 연구팀은 설명했다.

스케이터 발밑 얼음 분자 위 준용융층이 녹기 직전의 모습(왼쪽), 온도 상승에 따른 얼음의 결정 구조 변화 모습(오른쪽) 스페인 마드리드 콤플루텐세대 제공

물의 특이한 밀도 특성 때문에 고체 상태 얼음이 액체 상태의 물보다 에너지적으로 더 안정적이어서 얇은 액체 막은 평형점 근처에서 두께가 제한된다. 연구팀은 물리학의 다양한 이론을 결합해 액체 방울이 막 위에 응결돼 나타나는 ‘부분 젖음’(partial wetting) 현상을 설명했다. 부분 젖음은 액체가 고체 표면에 떨어졌을 때 완전히 퍼지지 않고 방울 형태를 유지하려는 성질로, 얼음 결정의 성장 방식을 결정하는 중요한 단서라고 연구팀은 밝혔다.

연구를 이끈 루이스 맥도웰 교수는 “눈 결정 모양이 연속적으로 변하는 과정은 얼음 표면에서 일어나는 준용융막 두께 변화와 관련이 있으며, 이는 표면 상전이를 나타낸다”며 “전이가 일어날 때마다 얼음 표면 성질과 성장 속도가 급격히 변한다”고 말했다. 맥도웰 교수는 “얼음 윗면과 측면이 서로 다른 속도로 자라기 때문에 다양한 결정 모양이 나타나는 것”이라며 “마찰이 얼음의 미끄러움에 어떤 영향을 미치는지, 불순물이 막의 두께에 어떤 영향을 주는지 추가 연구를 진행할 계획”이라고 덧붙였다.

유용하 과학전문기자

▶ 밀리터리 인사이드

- 저작권자 ⓒ 서울신문사 -