'영하 60℃서 물 임계점 첫 실제 관측'…물 비밀 풀렸다

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 인류가 수백 년간 풀지 못한 물의 가장 깊은 비밀이 국내 연구진의 10년에 걸친 끈질긴 연구 끝에 마침내 밝혀졌다.

과학기술정보통신부는 포스텍 김경환 교수 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 앤더스 닐슨 교수팀과 공동으로 물의 '액체-액체 임계점'을 세계 최초로 관측했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위 학술지인 '사이언스(Science)'에 27일(현지 시각 26일) 게재됐다.

일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워지는 독특한 특징으로 가장 특이하고 이해하기 어려운 물질로 꼽힌다.

이 때문에 겨울에도 강이나 호수의 표면만 얼고 아래쪽에는 액체 상태의 물이 남아, 그 속에서 생명이 유지될 수 있다. 물이 다른 액체와 다르게 이러한 특징을 가지게 되었는지 근본적인 이유는 과학계의 오랜 숙제로 남았다.

과학자들은 이에 대한 해답 중 하나로 '액체-액체 임계점' 가설을 제시했다.

이 가설은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류의 액체로 공존하며, 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 우리가 일상에서 보는 물이 된다는 가정이다.

학계에서 이 임계점이 존재한다면 영하 40℃에서 영하 70℃ 사이의 극저온 영역에 존재할 것으로 예측했다. 그러나 물은 영하 40℃ 이하로 내려가면 매우 빠르게 얼어버리기 때문에, 누구도 실험을 통해 임계점의 존재를 증명할 수 없어 수십 년간 논쟁으로 이어져 왔다.

연구팀은 영하 70℃에서 얼지 않은 물을 만들기 위해 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 측정할 수 있는 ‘X선 자유 전자 레이저(PAL-XFEL)'를 활용했고, 실험 끝에 '액체-액체 임계점'이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다.
 
이번 성과는 '액체-액체 임계점' 가설을 실험으로 입증하였을 뿐 아니라, 물이 갖는 특별한 성질이 고밀도 물과 저밀도 물의 경쟁에서 비롯된다는 근거를 제시했다.

연구팀은 이미 2017년에는 영하 45℃까지 얼지 않은 물을 세계 최초로 관측하였으며, 2020년에는 영하 70℃까지 관측 범위를 넓혀 사이언스지에 2차례 성과를 게재했고, 이후에도 물의 온도와 압력에 따른 변화를 정밀하게 추적하며 끈질기게 연구를 이어온 끝에 임계점 관측에 성공했다.

김경환 교수는 "물의 특별한 성질과 '액체-액체 임계점'을 둘러싼 오랜 세월 동안의 학계 논쟁을 마침내 매듭지었다"며 "이번 발견은 생명 현상을 비롯해 다양한 자연 현상에서 물이 갖는 필수적인 역할을 규명하는 출발점이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부 '기초 연구 사업(우수 신진 연구 및 선도 연구 센터)'과 삼성 '미래 기술 육성 사업' 지원으로 이뤄졌다.


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