포스텍 화학과 박문정 교수는 에너지 나노 재료 연구의 일환으로 '얼음 화학'이라는 새로운 학문 분야를 개척하고 있습니다. 이공계 여학생 비율이 10%도 되지 않던 시절부터 연구의 길을 걸어온 그는, 현재 포스텍에서 다양한 나노 재료를 연구하며 과학의 대중화에도 힘쓰고 있습니다. 특히 얼음이라는 친숙한 소재 속에 숨겨진 독특한 화학적 성질을 탐구하여 에너지와 환경 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 방안을 제시하고자 노력하고 있습니다.

겨울철 빙판길이 왜 미끄러운지에 대한 질문은 1800년대부터 시작된 오래된 과학적 난제였습니다. 과거에는 스케이트 날의 강한 압력으로 인해 얼음이 녹는다는 '압력 융해' 가설이나, 마찰에 의해 발생하는 열이 얼음을 녹인다는 '마찰열' 가설이 지배적이었습니다. 하지만 이러한 가설들은 아주 낮은 온도에서 얼음이 미끄러운 이유를 완벽하게 설명하지 못했습니다. 최근 연구에 따르면 이러한 현상들은 미끄러움의 일부 원인일 뿐, 근본적인 이유는 따로 있음이 밝혀졌습니다.

1850년 마이클 패러데이는 얼음 표면에 항상 얇은 물층이 존재한다는 직관적인 가설을 세웠으나, 당시 기술로는 이를 증명할 수 없어 오랜 시간 무시되었습니다. 그러나 최근 5년 사이의 정밀한 측정을 통해 얼음 표면에는 '준액체층(Quasi-Liquid Layer)'이라 불리는 나노미터 두께의 독특한 물층이 존재한다는 사실이 입증되었습니다. 이 층은 일반적인 액체 물과는 다른 화학적 특성을 지니며, 분자의 확산 속도가 매우 빨라 독특한 화학 반응의 장이 됩니다.

냉동실 안의 얼음들이 서로 달라붙는 이유는 표면의 미세한 물층이 서로 만나 다시 얼어붙기 때문이며, 이 얇은 층이 바로 미끄러움의 핵심입니다.

얼음 표면의 준액체층에서는 상온의 물에서보다 훨씬 빠른 속도로 화학 반응이 일어납니다. 예를 들어 강물이 얼어붙으면 그 표면에서 유해 물질인 질산이 생성되는 반응이 평소보다 수만 배 빠르게 진행되어 생태계에 영향을 주기도 합니다. 또한 물을 얼릴 때 미네랄 성분이 얼음 결정 밖으로 밀려나 특정 부분에 농축되는 현상도 발생합니다. 이러한 특성은 우리가 일상에서 마시는 얼음물의 성분이 시간에 따라 달라질 수 있음을 시사하며, 환경 오염 분석에도 중요한 지표가 됩니다.

연구팀은 얼음 표면의 얇은 액체 층을 '나노 반응기'로 활용하여 전기가 통하는 플라스틱인 전도성 고분자를 합성하는 데 성공했습니다. 얼음 위에 원료를 뿌리고 단 몇 분만 기다리면 친환경적이고 경제적인 방식으로 고성능 전극 재료를 만들 수 있습니다. 이 방식은 기존의 복잡하고 독성이 강한 공정을 대체할 수 있으며, 투명하고 유연한 전극을 대면적으로 제작할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 차세대 배터리나 태양 전지 등 에너지 소자 분야에 혁신적인 변화를 가져올 기술입니다.

얼음 화학 기술은 환경 오염 문제 해결에도 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 미세플라스틱이 섞인 물을 얼리면 플라스틱 입자들이 얼음 표면으로 농축되는데, 이때 전도성 고분자를 합성하여 이를 효과적으로 닦아낼 수 있습니다. 또한 이 과정에서 생성된 다공성 고분자 구조는 정전기적 인력을 통해 코로나바이러스와 같은 유해 입자를 높은 효율로 포집하는 필터로 활용될 수 있습니다. 이는 단순한 기초 과학 연구가 실생활의 안전을 지키는 기술로 확장될 수 있음을 보여줍니다.

나아가 얼음 위에서 제작된 특수 고분자 소재는 전기적 신호에 따라 수축과 이완을 반복하는 인공 근육으로 응용되고 있습니다. 이는 재활이 필요한 환자들의 보행을 돕는 보조 장치나, 가상 현실에서 정교한 움직임을 감지하는 웨어러블 센서 제작에 활용될 수 있습니다. 얼음이라는 자연적인 소재에서 시작된 창의적인 아이디어가 첨단 나노 기술과 결합하여 의료, 스포츠, IT 등 다양한 산업 분야에서 인류의 삶의 질을 향상시키는 미래 기술로 거듭나고 있는 것입니다.