영하 45℃ '얼지 않은 물' 움직임 비밀 밝혔다

물을 나타낸 이미지. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 오랫동안 이론으로만 제기되던 영하 45℃에서 얼지 않은 물의 움직임을 확인했다. 일상생활은 물론 생명과 환경, 산업 전반에 깊이 관여하는 핵심 물질인 물의 특이한 성질을 밝혀낸 연구성과로 기대된다. 

포스텍은 김경환 화학과 교수, 신명식 통합과정생 연구팀이 앤더스 닐슨 스웨덴 스톡홀름대 물리학과 교수 연구팀과 영하 45℃ 조건에서 얼지 않은 물의 점도(끈적임) 경향성이 온도에 따라 달라진다는 사실을 최초로 관측했다. 연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 온라인판에 최근 게재했다고 7일 밝혔다. 

물 연구에서 물의 점도는 주요 연구주제다. 일반적으로 액체는 온도가 낮아질수록 더 끈적해진다. 꿀이 차가워질수록 잘 흐르지 않는 모습을 떠올리면 이해하기 쉽다. 물이 영하 45℃까지 얼지 않은 채로 냉각되면 얼마나 더 끈적이게 되는지 많은 과학자가 알고 싶어한다. 

초기 연구에서 물은 영하 45℃에서 무한히 끈적해져 완전히 움직임이 멈출 것이라고 예측됐다. 문제는 이런 예측이 물의 다른 중요한 성질과 맞지 않았다. 약 30년 전부터 물의 점도가 특정 온도에서 변할 것이란 가설이 제기된 이유다. 

가설을 검증하는 것은 쉽지 않았다. 물은 영하 수십 도에 이르면 순식간에 얼어붙어 얼기 직전 움직임을 관찰하기가 매우 어렵기 때문이다.

포스텍 연구팀은 진공 환경에서 물이 빠르게 증발하며 급격히 열을 빼앗는 현상을 이용해 아주 짧은 시간 동안만 존재하는 ‘얼지 않은 영하 45℃의 물’을 만들어 냈다. 이후 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 분자 움직임을 10조 분의 1초 단위로 포착할 수 있는 'X선 자유 전자 레이저'를 활용해 극저온 상태의 물 분자들의 움직임을 직접 추적하는 데 성공했다.

그 결과 물은 영하 45℃ 부근에서 점도 변화 양상이 달라졌다. 물이 영하 45℃에서 무한히 끈적해지며 멈추는 것이 아니라 다른 방식으로 움직임을 유지한다는 사실이 처음으로 확인됐다. 이론으로만 존재하던 것을 실험 데이터로 입증한 결과다. 

이번 연구는 물이 왜 비정상적인 성질을 보이는지에 대한 이해를 한 단계 끌어 올렸다는 점에서 의미가 크다. 극저온 냉각 기술, 항공우주·극지 연구, 생체 조직 보존 등 다양한 분야에서도 중요한 기초 자료로 활용될 전망이다.

김 교수는 “지금껏 실험적으로 불가능하다고 여겨졌던 영역에서 직접적인 증거를 확보했다는 점에서 의미가 크다”며 “이번 연구가 물에 관해 남아있는 여러 중요한 미스터리를 풀어가는 열쇠가 될 것”이라고 말했다. 

<참고자료>
-https://doi.org/10.1038/s41567-025-03112-3

[이채린 기자 rini113@donga.com]