영하70℃의 '물' 찰나의빛으로 보는데 성공

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포스텍-스톡홀름대 연구팀, 영하 70도 얼지 않은 무거운 물 만들어
꿈의 빛으로 불리는 4세대 방사광가속기 활용해 순간적으로 측정
물이 생명현상에 어떻게 관여하는지 비밀을 푸는 중요 단서로 활용

연구 이미지
<연구 이미지>

물에 대한 학계의 오랜 연구에도 불구하고 물에 대한 근원적인 비밀은 아직 풀리지 않고 있다. 최근 국내외 연구팀이 영하 43도이하 얼지않은 물을 만들고, 방사선을 통해 그 존재를 관측하는데 성공했다.

포스텍(총장 김무환)은 김경환 화학과 교수팀과 스웨덴 스톡홀름대 앤더스 닐슨 교수팀이 영하 70℃ 얼지 않은 무거운 물을 만들어 100 펨토초 이하의 X선을 이용해 이 물이 가벼운 물로 바뀌는 과정을 관측하는 데 성공했다고 22일 밝혔다. 이 결과는 물이 원래 무거운 물과 가벼운 물로 이루어져 있다는 이론의 직접적 증거로 학계의 비상한 관심을 모아 과학 분야 최고 권위지인 '사이언스(Science)'지 최신호에 발표됐다.

물의 성질에 대한 다양한 가설 가운데 액체-액체 임계점 가설은 극도로 냉각된 조건 아래에서는 물이 무거운 물과 가벼운 물로 나뉘어지며 두 물 사이에서 상태가 변화한다는 가설이다. 이 가설을 증명하기 위해서는 영하 43℃ 이하의 얼지 않은 물을 만들어야 하지만, 현실적으로 불가능한 일로 오랫동안 여겨져 왔다.

왼쪽 위부터 시계방향으로 정상민씨(학부생), 양철희 박사, 김경환 교수, 유선주씨(석사과정). 김 교수 연구팀은 영하 70도의 물을 방사선가속기 빛으로 보는데 성공했다.
<왼쪽 위부터 시계방향으로 정상민씨(학부생), 양철희 박사, 김경환 교수, 유선주씨(석사과정). 김 교수 연구팀은 영하 70도의 물을 방사선가속기 빛으로 보는데 성공했다.>

3년 전 이미 영하 46℃의 얼지 않은 물을 측정한 연구결과를 같은 저널을 통해 발표한 바 있는 김 교수 연구팀은 이를 더 발전시켜 영하 70℃에서도 얼지 않은 상태의 물을 만드는 실험에 도전했다.

먼저 영하 160℃의 고밀도-비정질 얼음(HDA)을 만들어 강력한 레이저로 순간적으로 가열해 영하 70℃의 무거운 물을 만들어냈다. 이 물은 찰나의 순간에만 존재하는 물로, 이 물을 관측하기 위해서는 극도로 밝으면서 찰나보다 빠른 빛이 필요하다.

연구팀은 이러한 조건을 갖추어 '꿈의 빛'으로 불리는 포항 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)에서 나오는 X선을 활용, 영하 70℃의 얼지 않은 물을 순간적으로 측정했다. 그리고 이 무거운 물이 가벼운 물로 상변이를 일으키는 과정을 관측했다.

김경환 교수
<김경환 교수>

이번 연구 결과는 물이 원래 무거운 물과 가벼운 물, 두 가지 액체상으로 이루어져 있다는 가설을 뒷받침하는 직접적인 증거다. 이와 관련된 물의 여러 특성들의 원인을 규명할 수 있을 것으로 기대된다. 무엇보다 물이 왜 생명현상에 반드시 필요하고, 적합한 존재인가를 근원적으로 이해하는 중요한 단서로 학계에서는 평가하고 있다.

김경환 교수는 “물의 비밀에 도전해온 세계 연구자들의 오랜 논쟁을 해소해 줄 중요한 연구결과이며, 물이 가진 변칙적인 특성을 이해해 물과 생명의 미스테리를 푸는 단초가 될 것”이라고 말해다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진연구자 지원사업의 지원을 통해 수행됐으며, 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기 PAL-XFEL을 활용했다. 또 이 연구에는 연구 당시 아직 학부생이었던 유선주 씨와 정상민 씨도 참여했다.-

포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com