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상온에서 ‘따뜻한 얼음’ 만든다KRISS, 압력으로 얼음 제어 기술 개발
바이오, 식품, 의료, 항공우주등 활용범위 많아
KRISS 융합물성측정센터 이근우(좌측), 이윤희 책임연구원이 얼음성장 과정을 실시간으로 관측하는 초고속카메라를 조정했다.

수년 이내에 따뜻한 얼음으로 포장된, 음식을 만나 볼 수 있다. 국내 연구팀에 의해 상온에서 따뜻한 얼음을 만들 수 있게 됐다. 앞으로 바이오·식품·의료, 항공우주 등 다양한 산업에 적극 활용될 예정이다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)은 초고압의 극한 환경을 구현해 상온에서 따뜻한 얼음을 만들고 형상을 제어하는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 

이윤희 KRISS 융합물성측정센터 극한연구팀은 자체 기술로 물을 1만 기압 이상 압축하여 얼음을 형성하는 데 성공했다. 또한 압력 조건을 제어하여 3차원의 얼음의 2차원 변화를 관찰하고 얼음의 형태 변화 메커니즘을 규명했다.

이번 연구성과는 온도에 구애받지 않고 얼음의 크기나 형태 및 성장하는 속도를 인위적으로 조절할 수 있다는 데 큰 의미가 있다.

압력 속도를 증가시키자 얼음결정이 성장하며 형상을 변화했다.

자연에서 관찰되는 얼음은 육각판, 기둥, 뿔 등 만 가지 이상의 결정을 가진다. 다양한 형태의 얼음결정은 산업적 활용도 또한 뛰어나다. 얼음결정을 온도가 아닌 압력으로 제어하는 경우 기존 얼음이 가졌던 문제점을 해결할 수 있다.

대표적인 예가 식품이다. 일반 대기압에서 육류를 냉동시키면 바늘처럼 뾰족한 육각형 얼음결정이 발생하여 세포와 조직을 손상시킨다. 냉동실에서 꺼낸 고기의 육질과 맛이 떨어지는 이유다. 하지만 고압에서 냉동시키면 뾰족하지 않은 다른 형태의 얼음결정이 생겨 육질을 보호할 수 있다.

동적 고압을 형성하기 위한 다이아몬드 앤빌셀을 확대한 모습

연구팀은 초당 대기압의 500만 배까지 압력을 가할 수 있는 ‘실시간 동적 다이아몬드 앤빌셀(anvil cell)’ 장치를 개발, 고압에서의 얼음 성장에 적용했다. 그 결과 상온에서 물을 압축하여 고압얼음을 형성했다. 그리고 동적인 압력 조작을 통해 3차원 팔면체 얼음을 2차원 날개 모양으로 변화시키는 데 성공했다.

해당 기술은 초고압 환경을 구현하는 다이아몬드 앤빌셀에 구동제어, 분자 진동 측정기술 등을 동기화하여 물질의 압력, 부피, 영상, 분자 구조 정보까지 동시 측정할 수 있는 독자적인 기술이다.

기존에는 유사한 연구를 위해 주로 온도나 농도 제어에 주목했지만, 열 및 입자의 전달 속도 한계로 결정의 빠른 성장을 관찰할 수 없었다. 반면 압력은 즉각적이고 균일한 적용이 가능하여 기존의 한계점을 극복할 수 있다. 물 분자의 결정화 과정을 상세히 이해하고 제어할 수 있다.

이윤희 KRISS 책임연구원은 “고압 냉동기술을 활용하면 식품의 맛과 신선도를 유지하는 새로운 형태의 얼음결정과 냉동공정을 만들 수 있다”며 “이번 기술을 현재 신선식품의 물류에 사용하는 콜드체인(cold chain) 시스템에 적용하면 식품의 상품성이 더욱 향상될 것이다. 항공우주 부문을 제외하면 이 기술이 적용된 상품을 수년내 일상생활에서 만나볼 수 있을 것”이라고 예측했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 핵융합인력양성사업ㆍ신기술융합형 성장동력사업의 일환으로 지난 2016년부터 2019년까지 3년간 수행됐다.

이번 연구 성과는 미국 '프로시딩스 오브 네이셔널 아카데미 오브 사이언스(PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, IF 9.661)'에 지난달 게재됐다.

■논문 제목

Shock growth of ice crystal near equilibrium melting pressure under dynamic compression

■논문 저자

(제1저자) 김용재 전 KRISS 책임연구원

(교신저자) 이근우 KRISS 책임연구원

최민철 기자  abfps12@naver.com

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