중국이 야심 차게 공개한 소름 돋는 사진, 대나무처럼 휘어지는 얼음… 中 과학자들이 ‘공식’ 찾았다

중국이 야심 차게 공개한 소름 돋는 사진, 대나무처럼 휘어지는 얼음… 中 과학자들이 ‘공식’ 찾았다

 

영하 50도에서 가늘게 만든 얼음 온도를 영하 70~150도로 낮춰 얼음 누르니 원형으로 휘어
얼음은 단단하지만 큰 충격을 받으면 산산이 부서진다. 과학자들이 이런 얼음의 이미지를 완전히 바꾸는 실험에 성공했다. 아주 낮은 온도에서 가늘게 만든 얼음은 대나무처럼 잘 휘어진다는 것이다. 중국 저장대의 퉁리민 교수 연구진은 지난 9일 국제 학술지 사이언스에 “탄성이 이론 한계치에 접근한 얼음을 만들어 둥글게 휘는 실험에 성공했다”고 밝혔다. 연구진은 섭씨 영하 50도에서 텅스텐 바늘로 수증기를 뿜었다. 전류를 흘리자 물 분자가 텅스텐 바늘에 달라붙으면서 지름이 수마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만 분의 1미터)인 육각형 섬유 모양 결정으로 자랐다. 결정 성장 속도는 초당 0.2㎜였다. 온도를 영하 70~150도로 더 낮추자 광섬유 형태의 얼음을 누르면 국수 가닥처럼 원형으로 휘어졌다. 힘이 사라지면 바로 원래 형태로 돌아왔다.

 

YouTube: New kind of ice is so bendy it can curl and uncurl without breaking

 

얼음은 딱딱하고 잘 부서지는 결정으로 알려져 있습니다. 그런데 중국 Zhejiang대의 연구진들은 이 얼음의 결정 직경이 8~10㎛ 사이일 때 elastic 해진다는 것을 알게 됩니다. 사람 머리카락의 10분의 1 수준이죠. 응력과 변형률이 비례하는 변형을 elastic deformation이라고 하며 응력은 재료에 외력을 가했을 때 재료 내에 생기는 변형률을 의미합니다. 쉽게 말해서 얼음이 탄성을 가지는 걸 발견했다고 생각하시면 됩니다. 얼음이 탄성을 가지는 모습은 세계 최고의 저널 <Science>에 2021년 7월 발표됩니다(Peizhen Xu et al, “Elastic ice microfibers”, Science, 2021. DOI: 10.1126/science.abh3754).

 

 

얼음이 엄청나게 작아지면 single crystal ice microfiber, 줄여서 IMFs라고 불리게 됩니다. 그리고 연구진은 극저온에서 이 얼음이 고무줄처럼 휜다는 사실을, 그런 놀라운 현상을 영상으로 포착한 거죠. 얼음은 지구 표면 상에서 가장 흔하고 또 중요한 물질입니다. 역사적으로 bulk 한 얼음은 딱딱하고 fragile 하다고 알려져 있습니다. 이런 저차원의 물질들은 기존의 bulk 한, 커다란 물질들과는 비교도 되지 않는 엄청난 성능을 보여줍니다. 왜냐면 defect(결함)가 고차원 물질들보다는 압도적으로 적고 무엇보다 스트레스들이 분산이 됩니다. 이유는 간단히 설명하자면 두부 모래가 한 톨 있다고 가정해보겠습니다. 이 모래 한 톨에는 스크래치가 있을 겁니다. 눈에 보이지 않지만 현미경으로 보면 무수한 스크래치가 있겠죠. 그런데 이 모래 한 톨 즉, 저차원의 물질이 뭉쳐서 공이라는 입체가 됐다고 합시다. 그러면 이 공은 스크래치도 많고 모래랑 모래 사이에 접합면이 있을 것입니다. 이런 접합면들도 다 결함입니다. 이런 결함들이 저차원에서 고차원으로 갈수록 기하급수적으로 증가할 겁니다 그래서 이런 저차원의 물질의 성능이 좋은겁니다. 연구진은 얼음을 이렇게 결함이 적은 저차원의 물질로 만든데에 성공한겁니다.

 

연구진의 영하 50도의 텅스텐 바늘 위에 전기를 가하며 얼음을 성장시켰습니다. 초저온에서 전압을 가하자 전기장이 만들어졌고 물 분자를 끌어당겨 결정화 한 겁니다. 놀랍게도 이렇게 작은 것을 컨트롤하는 것도 성공합니다. 그리고 보시다시피 얼음이 휩니다. 여러분은 역사상 처음으로 휘어지는 얼음을 보고 계시는 겁니다. 무엇보다도 굉장히 잘 늘어납니다. 이게 얼음이라는 게 믿기 시나요? 영화 150도에서 무려 10.9%의 변형률을 보여줍니다. 또한 탄성변형이므로 원래대로 돌아갈 수도 있습니다.

 

 

이 기술은 레이저를 이용하여 통신하는 광케이블 기술에 사용될 수 있습니다. 왜냐하면 연구진이 만든 이 얼음은 앞서 말씀드렸듯이 결함이 거의 없기 때문에 빛이 진행하는데 방해물이 거의 없다는 겁니다. 어느 정도냐면 한쪽에서 빛을 보내면 다른 쪽에서 무려 99%가 나옵니다. 단 1%만 소실된 거죠. 기존의 방식보다 5~10배 이상 더 많은 전기를 보내버릴 가능성이 있습니다. 또한, 연구진에 따르면 미세 얼음 섬유가 대기오염을 연구하는 데 쓰일 수 있다고 기대했습니다. 검댕이나 중금속 입자가 얼음 섬유에 달라붙으면서 빛 흡수와 반사율이 달라지는 정도를 관측해 대기오염을 파악할 수 있다는 겁니다.

 

 

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Elastic ice microfibers