포스텍 연구팀, '영하 70도의 물' 관측 성공했다

포스텍, 스톡홀름대 공동 연구팀 성과
영하 70도의 물 찰나(刹那)의 빛으로 관측
4세대 방사광가속기로 성공
"물과 생명 미스테리 푸는 단초 될 것"

포스텍 화학과 김경환 교수

[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 화학과 김경환 교수팀과 스웨덴 스톡홀름대 앤더스 닐슨 교수 공동연구팀이 영하 70도의 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 이뤄져 있다는 이론의 직접적 증거로 학계의 비상한 관심을 끌고 있다.

물의 성질에 대한 다양한 학설 중 액체-액체 임계점 가설은 극도로 냉각된 조건 아래에서는 물이 무거운 물과 가벼운 물로 나뉘어지며 두 물 사이에서 상태가 변화한다는 것이다.

이 가설을 증명하기 위해서는 영하 43도 이하의 얼지 않은 물을 만들어야 하지만 현실적으로는 불가능한 일로 오랫동안 여겨져 왔다.

연구팀은 3년 전 이미 영하 46도의 얼지 않은 물을 측정한 연구결과를 더욱 발전시켜 영하 70도에서도 얼지 않은 상태의 물을 만드는 실험에 도전했다.

먼저 영하 160도의 고밀도-비정질 얼음(HDA)을 만든 뒤 이 얼음을 강력한 레이저로 순간적으로 가열해 영하 70도의 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 활용해 영하 70도의 얼지 않은 물을 순간적으로 측정했다.

[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 화학과 김경환 교수팀과 스웨덴 스톡홀름대 앤더스 닐슨 교수 공동연구팀이 영하 70도의 얼지 않은 무거운 물을 만들어 100 펨토초 이하의 X선을 이용해 이 물이 가벼운 물로 바뀌는 과정을 관측하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.사진은 관련 홍보용 그림.(사진=포스텍 제공) 2020.11.22. photo@newsis.com

또한 이 무거운 물이 가벼운 물로 상변이를 일으키는 과정도 관측했다.

이 연구 결과는 물이 원래 무거운 물과 가벼운 물, 두 가지의 액체상으로 이뤄져 있다는 가설을 뒷받침하는 직접적인 증거로 향후 물의 여러 특성들의 원인을 규명할 수 있을 것으로 기대된다.

무엇보다 물이 왜 생명현상에 반드시 필요하고, 적합한 존재인가를 근원적으로 이해하는 중요한 단서로 학계에서는 평가하고 있다.

이 연구결과는 과학 분야 최고 권위지인 ‘사이언스(Science)’지 최신호를 통해 발표됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진연구자 지원사업의 지원을 통해 수행됐으며, 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기 PAL-XFEL을 활용했다.

포스텍 김경환 교수는 “이번 연구성과는 물의 비밀에 도전해온 세계 연구자들의 오랜 논쟁을 해소해 줄 중요한 연구결과로 물이 가진 변칙적인 특성을 이해해 물과 생명의 미스테리를 푸는 단초가 될 것”이라며 “기초 과학에서 큰 의미를 가질 이 중요한 연구 성과에서 학부생들이 상당 부분 기여한 것도 주목할 부분”이라고 말했다.

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