활처럼 휘어지는 얼음

인간만 아니라 모든 생명체에게 가장 귀중한 물질의 하나인 물의 성질에 대해 과학자들은 참으로 많은 연구를 해왔다. 그렇지만, “얼음은 휘어지지 않는다. 억지로 휜다면 부러질 것이다.”는 생각은 지금까지 가졌던 얼음의 성질이었다. 놀랍게도 한 과학자는 “얼음도 활처럼 휘어지게 할 수 있고, 힘(압력)을 제거하면 본래의 형태로 돌아가는 성질이 있다.”는 새로운 사실을 발견했다.

얼음에 힘을 가하면 여러 조각으로 깨어진다. 기다란 고드름을 두 손으로 잡고 젖히면 두 조각으로 부러진다. 얼음은 탄성(彈性 elasticity)이 거의 없기 때문에 휘어지지 않는다. 최근 중국 제장(Zhejiang) 대학의 물리학자 수(Peizhen Xu)는 아주 얇은 얼음판이나 실처럼 가느다란 얼음이라면 휘어질 수 있다는 사실을 증명하는 논문을 2021년 7월 9일자 <Science>에 발표했다.

수는 영하 70-150℃의 냉동 공간에서 실처럼 가느다란 얼음을 만들었다. ‘실 얼음’을 형성할 때는 전하가 걸린 두 바늘 끝에서 수증기 입자를 끌어당겨 물 분자들이 이어지도록 했다. 두 전극 사이에서 형성된 ‘얼음 실’은 철사처럼 꼬부라진 형태였다. 이때 형성된 얼음 실의 직경은 머리카락보다 가느다란 2-3μm(1μm는 1,000분의 1mm)였다. 사진은 실 얼음을 고리처럼 구부려도 부러지지 않는 모습이다.

‘얼음 실’은 왜 부러지지 않는가?

자연계에서 형성되는 얼음의 결정(結晶)에는 구멍과 틈새가 많이 생겨난다. 그러나 이 실험처럼 저온 조건에서 가늘게 얼음을 만들 경우에는 ‘완전한 얼음 결정’이 만들어진 것이다.

​실험에서 얼음의 실 양쪽에서 힘(압력)을 가하여 직경 10μm의 ‘얼음 고리’가 되도록 휘는데 성공했다. 그리고 고리 상태에서 힘을 제거하자, 얼음 실은 본래의 모습으로 되돌아갔다.

자연계에서도 가느다란 얼음 실이 만들어지고 있다. 그것은 눈송이에서 볼 수 있다. 눈송이는 물 분자 하나하나가 연결하여 얼음이 된 것이다. 그러나 눈송이의 얼음 실은 외가닥이 아니고 서로 얽혀진 결정체이므로 휘어지는 탄성을 나타내지 않는다.

이렇게 얼음 실을 만들어 휘어보는 실험에 성공함에 따라, 물성(物性)에 대해 가장 많이 알고 있다고 생각해온 생명의 물질인 물에 대해 우리는 새로운 성질을 한 가지 더 알게 되었다. – YS

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