"번쩍"…얼음도 스트레스 받으면 전기 만든다

차가운 얼음이 스트레스를 받으면 전기를 발생시킨다는 연구 결과가 나와 주목되고 있다고 기즈모도 등 최근 보도했다. 지난달 말 국제학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 실린 논문에 따르면, 얼음을 구부리거나 늘리거나 비틀면 전기가 발생하는 '플렉소일렉트릭(flexoelectric)' 현상이 나타나는 것으로 확인됐다. 또한 이런 얼음의 독특한 전기적 특성은 온도에 따라 달라지는 것으로 나타났다. 해당 논문 주저자인 스페인 카탈루냐 나노과학·나노기술 연구소(ICN2)의 물리학자 신웬(Xin Wen)은 "이번 연구 결과는 얼음을 단순한 수동적인 물질로 보던 기존 관점을 넘어 기초 연구와 응용 분야 모두에 영향을 미칠 수 있는 능동적인 물질로 바꿔주는 계기가 될 것”이라고 밝혔다. 분자 화학의 수수께끼 풀릴까 분자 화학에서 그 동안 풀리지 않았던 수수께끼 중 하나는 얼음의 구조가 왜 '압전(piezoelectric)'효과를 띄지 않는가 하는 것이다. 압전 효과란 고체에 기계적 응력이 가하면 결정체에 분극이나 전하가 생성되는 현상을 말한다. 하지만, 얼음은 독특한 육각형 대칭 결정 구조 때문에 극성이 상쇄돼 압력을 가해도 전하가 생기지 않는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 얼음이 자연적으로 전기를 만들어낸다. 대표적인 예로 전하를 띤 얼음 입자들이 충돌하면서 생기는 번개를 들 수 있다. 얼음은 압전 효과를 나타내지 않는 것으로 보이기 때문에, 과학자들은 얼음 입자가 어떨 때 대전되는지에 대해 의문을 가져왔다. 플렉스일렉트릭 효과에 주목 연구진은 이를 확인하기 위해 물질이 휘어짐이나 비대칭적인 변형이 생길 때 전기 분극이 생기는 플렉소일렉트릭 효과에 주목했다. 실험실에서 얼음판을 구부리자 모든 온도 조건에서 실제로 전하가 발생했다. 특히 연구진이 예상치 못한 것은 섭씨 -113도 이하의 조건에서 얼음 표면에 얇은 '강유전(ferroelectric) 층'이 형성되며 전기 생성이 가장 활발했다는 점이다. 연구진은 "이것은 얼음 표면이 자연적인 전기 분극을 형성할 수 있으며, 외부 전기장이 가해지면 이 방향이 바뀔 수 있음을 의미한다. 이는 마치 자석의 극이 뒤바뀔 수 있는 것과 유사하다"고 밝혔다. 이어 “놀랍게도 얼음이 전기를 생성하는 방법은 두 가지다. 아주 낮은 온도에서는 강유전성을, 더 높은 온도에서는 '플렉소일렉트릭 현상'"이라고 덧붙였다. 번개 발생 비밀도 밝혀내 연구진은 얼음의 독특한 특성에 주목하며, 이는 현재 센서나 커패시터와 같은 첨단 기술에 사용되는 이산화티타늄과 같은 전기 세라믹 재료와 얼음이 동등한 수준에 놓이게 되는 것이라고 지적했다. 더 주목할 만한 점은 이번 발견인 자연 현상인 번개와 밀접하게 연결되어 있다는 것이다. 논문에 따르면, 실험에서 플렉소일렉트릭으로 생성된 전위는 얼음 입자 충돌로 생성된 뇌우 에너지와 매우 유사했다. 이는 플렉소일렉트렉 현상이 뇌우 속에서 얼음 입자가 상호작용하는 방식에 부분적으로 관여했다고 보는 것이 타당하다고 연구진은 설명했다.