영하 60도에서 드러난 물의 두 얼굴… 두 종류서 단일 액체로 변해

김경환 포스텍 교수, 영하 60도서 물의 ‘액체-액체 임계점’ 관측 첫 성공
수백 년 풀지 못한 난제 실험으로 증명… x선자유전자레이저 활용한 결실

물의 액체-액체 임계점이 영하 60도 존재한다는 사실을 실험으로 관측한 연구 개념도. 제미나이가 그린 일러스트.

물은 세상에서 가장 중요한 물질이자 생명을 이루는 근원이다. 인류가 가장 오래 연구해 온 대상 중 하나지만, 여전히 가장 특이하고 이해하기 어려운 물질로 꼽힌다. 가령, 일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무겁지만, 물은 4도에서 가장 무거웠다가 온도가 내려가면 오히려 가벼워지는 독특한 특징을 지닌다.

이 때문에 겨울에 강이나 호수 표면만 얼고, 아래쪽은 액체 상태의 물이 남아 그 속에서 생명이 유지될 수 있다.

왜 물이 다른 액체와 다른 특징을 갖게 됐는지에 대한 근본적인 이유는 과학계의 오랜 숙제로 남아 있었다. 과학자들은 이에 대한 해답을 찾기 위해 '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 임계점을 영하 40∼70도 사이의 극저온 영역에 존재할 것으로 예측했다. 하지만 물은 영하 4도 이하로 내려가면 빠르게 얼어 지금까지 실험을 통해 임계점 존재를 증명할 수 없어 수십 년 동안 논쟁으로 이어져 왔다.

국내 연구진이 액체-액체 임계점이 영하 60도 부근에 있다는 사실을 실험을 통해 세계 최초로 입증했다.

인류가 수백 년 간 풀지 못했던 물의 가장 깊은 비밀을 10년간의 연구 끝에 밝혀낸 것이다.

김경환 포스텍 교수.

과학기술정보통신부는 김경환 포항공대 교수 연구팀이 앤더슨 닐슨 스웨덴 스톡홀름대 교수팀과 공동으로 물의 '액체-액체 임계점'을 세계 최초로 관측한 연구결과를 국제 학술지 '사이언스'에 게재했다고 27일 밝혔다.

연구팀은 앞서 2017년 영하 45도까지 얼지 않은 물을 세계 최초로 관측했으며, 2020년에는 영하 70도까지 관측 범위를 넓혀 관련 연구성과를 사이언스에 두 차례 발표한 바 있다.

연구팀은 높은 압력에서 제조된 비정질 얼음을 적외선 레이저로 가열해 영하 70도에서 영하 60도까지 얼지 않은 상태의 물로 만들었다.

이 물은 약 1만분의 1초 만에 얼어 붙어 구조를 확인할 수 없는데, 연구팀은 태양보다 10경배 더 밝은 빛을 제공하고, 10조분의 1초만에 분자 움직임을 측정할 수 있는 'X선 자유전자레이저'(PAL-XFEL)에서 나오는 강력한 X선을 활용해 물 분자의 구조를 관찰했다.

그 결과, 온도가 낮을 때는 두 종류의 액체 물이 구분돼 존재하지만 영하 60도 이상에서는 더 이상 구분되지 않음을 관측했다. '액체-액체 임계점'이 영하 60도에 존재한다는 사실을 실험으로 증명한 것이다.

김 교수는 "이번 연구를 통해 물의 특별한 성질과 '액체-액체 임계점'을 둘러싼 학계 오랜 논쟁에 종지부를 찍게 됐다"며 "생명 현상을 비롯해 다양한 현상에서 물이 갖는 필수적인 역할을 규명하는 출발점이 될 것"이라고 말했다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr