인류가 수백 년간 풀지 못했던 물의 가장 깊은 비밀이 국내 연구진의 연구 끝에 마침내 밝혀졌다.
과학기술정보통신부는 김경환 포스텍(POSTECH) 교수 연구팀이 앤더스 닐슨 스웨덴 스톡홀름대 물리학과 교수팀과 공동으로 물의 액체-액체 임계점을 세계 최초 관측했다고 27일 밝혔다.
물은 인류가 가장 오래 연구해 온 대상 중 하나지만, 여전히 가장 특이하고 이해하기 어려운 물질로 꼽힌다. 일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워지는 독특한 특징을 보인다. 이러한 특징을 갖는 이유로 학계는 액체-액체 임계점 가설을 제시하고 있다. 이 가설은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류 액체상으로 공존하며, 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 그분이 사려져 일상에서 보는 물이 된다는 가정이다.
학계에서는 이 임계점이 존재한다면 영하 40℃에서 영하 70℃ 사이 극저온 영역에 존재할 것으로 예측했다. 그러나 물은 영하 40℃ 이하로 내려가면 빠르게 얼어 누구도 실험을 통해 임계점의 존재를 증명할 수 없었다.
연구팀은 영하 70℃에서도 얼지 않은 물을 만들기 위해 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자 움직임을 측정할 수 있는 'X선 자유전자레이저(PAL-XFEL)'를 활용했다. 실험을 통해 액체-액체 임계점이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다.
이번 성과는 액체-액체 임계점 가설을 실험으로 입증했을 뿐만 아니라, 물이 갖는 특별한 성질이 고밀도 물과 저밀도 물의 경쟁에서 비롯된다는 근거를 제시했다는 점에서 의미가 있다.
연구팀은 앞서 2017년 영하 45℃까지 얼지 않은 물을 세계 최초로 관측했으며, 2020년에는 영하 70℃까지 관측 범위를 넓혀 사이언스지에 두 차례 성과를 게재한 바 있다.
김경환 교수는 “물의 특별한 성질과 액체-액체 임계점을 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 말했다.
이번 연구는 과기정통부 기초연구사업(우수신진연구 및 선도연구센터)과 삼성 미래기술육성사업으로 수행했으며, 사이언스지에 27일 실렸다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
