물 분자의 놀라운 발견
얼음의 결정 구조 조각 그림에서 산소 원자는 파란색으로 분자 수소 원자는 분홍색으로 나타내었다. 물 분자를 뽑아내고 있는 수소 원자는 금색이다. 이것은 산소 격자(밝은 회색의 음영으로 나타난 곳) 내의 공간에 다면체로 자리 잡고 있다. 이전에, 연구진은 이러한 공동이 물 분자가 엄청난 압력에 부서지더라도 그대로 남아있다고 생각했었다.
새로운 기술을 이용하여, 카네기 과학 연구소의 Malcolm Guthrie가 이끄는 연구진은 압력을 줬을 때, 얼음이 어떻게 행동하는지에 대한 놀라운 발견을 했다. 이는 약 50년 전에 과학자들이 생각했던 것을 바꾸어 놓았다. 그들의 결과물은 물 분자가 행성 내 깊은 곳과 같은 조건에서 어떻게 반응하는지에 대한 우리의 이해를 변화시켰으며, 에너지 과학에 큰 영향을 끼쳤다. 그들의 연구는 Proceedings of the National Academy of Sciences에 게재되었다. 물이 얼음으로 얼게 되면, 물 분자는 수소 결합으로 서로 모인 결정 격자 내에서 서로 뭉치게 된다. 수소 결합은 다방면으로 이루어지기 때문에, 그로 말미암은 결정체 얼음은 적어도 16개의 다른 구조를 가지게 되고, 놀라울 정도의 다양성을 보여준다.
이러한 모든 형태의 얼음에서, 단순한 H2O 분자는 보편적인 구성 요소이다. 그러나 1964년, 연구진은 충분한 압력 하에서는 수소 결합이 물 분자를 쪼갤 수 있을만한 지점까지 강해질 수 있다고 예측했다. 얼음에서 물 분자를 직접 떼어내어 관찰하면서, 과학자들은 이에 많은 관심을 끌게 되었고, 지난 50년간 이에 관한 광범위한 연구를 하게 되었다. 1990년대 중반, 카네기 과학 센터를 포함한 몇몇 연구진은 분광 기술을 이용하여, 이에 관련된 전이를 관찰하였다.
그러나 이러한 기술은 간접적이어서, 일부의 특성만을 보여줄 수 있었다. 바람직한 방법은 수소 원자나 양성자를 직접 “보는” 것이다. 이는 중성자를 얼음에 튀게 하여, 그것들이 어떻게 산란하는지를 세심히 측정함으로써 얻어질 수 있다. 그러나 물 분자 분리를 보기 위하여, 이 기술을 매우 높은 압력에 적용하는 것이 과거에는 가능하지 않았다. “만약 당신이 가진 얼음 표본이 정말 작다면, 이러한 극한의 압력에 이르게 할 수 있을 것이다. 그러나 불행히도, 이러한 작업은 수소 원자를 보기 것을 매우 어렵게 만든다”고 Guthrie가 말했다.
2006년 미국 테네시의 오크리지 국립 연구소에 설치된 파쇄 중성자 소스(Spallation Neutron Source)는 새롭고 매우 강렬한 중성자를 제공한다. 중성자의 끊임없는 변화를 활용할 수 있도록 설계된 이 새로운 종류의 장비 덕분에, Guthrie와 그의 동료인 Russell Hemley, Reinhard Boehler, Kuo Li, Chris Tulk, Jamie Molaison, 그리고 오크리지 국립 연구소의 Antonio Dos Santos는 대기 압력보다 5십만 배나 더 높은 조건에서 얼음의 수소 원자를 최초로 엿볼 수 있었다. “이 중성자는 다른 기술이 할 수 없는 이야기를 우리에게 들려준다. 이 결과는 물 분자 분리가 두 개의 서로 다른 메커니즘을 따르고 있음을 알려준다.
물 분자 일부는 매우 낮은 압력에서 분리되기 시작하는데, 이는 1964년에 발표된 논문에서 예측했던 것과는 다른 경로”라고 카네기 지구 물리학 연구소의 Hemley가 말했다. “우리의 자료는 얼음에 관한 아주 새로운 그림을 제시했다. 이 결과는 H2O의 결합에 관한 폭넓은 이해를 제시할 뿐만 아니라, 행성 내부 얼음의 양성자가 얼음이 고체 상태임에도 이동할 수 있다는 이전의 이론을 뒷받침해준다”고 Guthrie가 설명했다.
이 놀라운 발견은 과학적 발견의 시작에 불과하다. “중성자를 가진 수소를 ‘볼’ 수 있다는 것은 얼음 연구에 있어서만 중요한 것은 아니다. 이것은 경기의 양상을 바꾸어버리는 획기적인 기술 혁신이다. 이 응용은 에너지와 같은 사회 문제에 중요한 시스템에 확장될 수 있다. 예를 들어, 이 기술은 포접 수화물(clathrate hydrates)을 담고 있는 메탄이나 자동차용 전력에 쓰일 수소 저장 물질에 관한 폭넓은 이해를 제시할 것이다.
[원문보기]
Using revolutionary new techniques, a team led by Carnegie's Malcolm Guthrie has made a striking discovery about how ice behaves under pressure, changing ideas that date back almost 50 years. Their findings could alter our understanding of how the water molecule responds to conditions found deep within planets and could have implications for energy science. Their work is published in the Proceedings of the National Academy of Sciences.
When water freezes into ice, its molecules are bound together in a crystalline lattice held together by hydrogen bonds. Hydrogen bonds are highly versatile and, as a result, crystalline ice reveals a striking diversity of at least 16 different structures.
In all of these forms of ice, the simple H2O molecule is the universal building block. However, in 1964 it was predicted that, under sufficient pressure, the hydrogen bonds could strengthen to the point where they might actually break the water molecule apart. The possibility of directly observing a disassociated water molecule in ice has proven a fascinating lure for scientists and has driven extensive research for the last 50 years. In the mid-1990s several teams, including a Carnegie group, observed the transition using spectroscopic techniques. However, these techniques are indirect and could only reveal part of the picture.
A preferred method is to "see" the hydrogen atoms–or protons–directly. This can be done by bouncing neutrons off the ice and then carefully measuring how they are scattered. However, applying this technique at high enough pressures to see the water molecule dissociate had simply not been possible in the past. Guthrie explained that: "you can only reach these extreme pressures if your samples of ice are really small. But, unfortunately, this makes the hydrogen atoms very hard to see."
The Spallation Neutron Source was opened at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee in 2006, providing a new and intensely bright supply of neutrons. By designing a new class of tools that were optimized to exploit this unrivalled flux of neutrons, Guthrie and his team–Carnegie's Russell Hemley, Reinhard Boehler, and Kuo Li, as well as Chris Tulk, Jamie Molaison, and António dos Santos of Oak Ridge National Laboratory–have obtained the first glimpse of the hydrogen atoms themselves in ice at unprecedented pressures of over 500,000 times atmospheric pressure.
"The neutrons tell us a story that the other techniques could not," said Hemley, director of Carnegie's Geophysical Laboratory. "The results indicate that dissociation of water molecules follows two different mechanisms. Some of the molecules begin to dissociate at much lower pressures and via a different path than was predicted in the classic 1964 paper."
"Our data paint an altogether new picture of ice," Guthrie commented. "Not only do the results have broad consequences for understanding bonding in H2O, the observations may also support a previously proposed theory that the protons in ice in planetary interiors can be mobile even while the ice remains solid."
And this startling discovery may prove to be just the beginning of scientific discovery. Tulk emphasized "being able to 'see' hydrogen with neutrons isn't just important for studies of ice. This is a game-changing technical breakthrough. The applications could extend to systems that are critical to societal challenges, such as energy. For example, the technique can yield greater understanding of methane-containing clathrate hydrates and even hydrogen storage materials that could one day power automobiles".
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