KPI뉴스 - '물의 미스터리' 풀렸다…영하 60도서 임계점 첫 관측

인류가 수백 년간 풀지 못했던 물의 가장 깊은 비밀이 국내 연구진의 10년에 걸친 끈질긴 연구 끝에 마침내 밝혀졌다.

▲ 포스텍 화학과 김경환 교수. [포스텍 제공]

포스텍과 과학기술정보통신부는 포스텍 화학과 김경환 교수 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 앤더스 닐슨 교수팀과 공동으로 물의 '액체-액체 임계점'을 세계 최초로 관측했다고 27일 밝혔다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 '사이언스지'에 게재됐다.

물은 가장 중요한 물질이자 인류가 가장 오래 연구해 온 대상 중 하나이지만 여전히 가장 특이하고 이해하기 어려운 물질로 꼽힌다.

예를 들어 일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만 물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워지는 독특한 특징을 보인다.

이 때문에 겨울에도 강이나 호수의 표면만 얼고 아래쪽에는 액체 상태의 물이 남아 그 속에서 생명이 유지될 수 있다.

그러나 왜 물이 다른 액체와 다르게 이러한 특징을 갖게 되었는지 근본적인 이유는 과학계의 오랜 숙제로 남아 있었다.

과학자들은 이에 대한 해답 중 하나로 '액체-액체 임계점' 가설을 제시했다. 이 가설은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류의 액체상으로 공존하며 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 우리가 일상에서 보는 물이 된다는 가정이다.

학계에서는 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 없었으며 수십 년 동안 논쟁으로 이어져 왔다.

▲ 포스텍-스톡홀름대 공동연구팀. [포스텍 제공]

연구팀은 영하 70℃에서도 얼지 않은 물을 만들기 위해 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 측정할 수 있는 'X선 자유전자레이저(PAL-XFEL)'를 활용했다.

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 갖고 있는 특별한 성질이 고밀도 물과 저밀도 물의 경쟁에서 비롯된다는 근거를 제시했다는 점에서 그 의미가 크다고 할 수 있다.

연구팀은 이미 2017년에는 영하 45℃까지 얼지 않은 물을 세계 최초로 관측했으며, 2020년에는 영하 70℃까지 관측 범위를 넓혀 사이언스지에 두 차례 성과를 게재한 바 있다.

그 이후에도 연구팀은 물의 온도와 압력에 따른 변화를 정밀하게 추적하며 끈질기게 연구를 이어온 끝에, 임계점 관측에 성공하게 되었다.

이 성과가 다시 한번 사이언스지에 게재되면서 전 세계에 연구팀의 집념과 저력을 유감없이 발휘했다.

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

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

[저작권자ⓒ KPI뉴스. 무단전재-재배포 금지]