세계적 난제, 한국팀이 풀었다…영하 60도서 밝혀낸 '물의 미스터리'

김경환 포스텍 교수 연구팀, '액체-액체 임계점' 세계 최초 관측
국제 학술지 '사이언스' 발표

김경환 포스텍(POSTECH·포항공대) 교수 연구팀이 앤더스 닐슨 스웨덴 스톡홀름대 교수 연구진과 함께 물의 '액체-액체 임계점'을 세계 최초로 관측했다고 27일 밝혔다. /사진=게티이미지뱅크

국내 연구진이 10년에 걸친 연구 끝에 '물'의 미스터리를 풀 단서를 세계 최초로 찾았다. 물이 서로 다른 두 액체 상태를 오갈 수 있으며, 그 경계가 사라지는 지점이 영하 60도(℃) 안팎에 존재한다는 발견이다.

27일 과학기술정보통신부는 김경환 포스텍(POSTECH·포항공대) 교수 연구팀이 앤더스 닐슨 스웨덴 스톡홀름대 교수 연구진과 함께 물의 '액체-액체 임계점'을 세계 최초로 관측했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 저명 학술지 '사이언스'에 이날 게재됐다.

물은 매우 흔한 물질이지만, 동시에 가장 이해하기 어려운 물질로 꼽힌다. 다른 액체와는 다른 물의 특성 때문이다. 대부분의 액체는 온도가 내려갈수록 분자들이 더 촘촘히 모여 밀도가 높아진다. 그런데 물은 4℃에서 가장 조밀해졌다가 그보다 더 차가워지면 오히려 성기게 변한다. 겨울철 강과 호수의 표면은 얼어붙지만, 아래쪽에는 여전히 액체 상태의 물이 남는 건 이런 성질 때문이다.

과학계는 이를 설명하기 위해 '액체-액체 임계점' 가설을 제시해왔다. 물이 하나의 균일한 액체가 아니라, 분자들이 더 촘촘히 모인 고밀도 액체 상태와 더 느슨하게 배열된 저밀도 액체 상태 사이를 오갈 수 있다는 것이다. 또 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 일상에서 흔히 보는 물의 형태가 된다는 가정이다.

학계에서는 이 임계점이 존재한다면 영하 40℃에서 영하 70℃ 사이의 극저온 영역에 존재할 것으로 예측해왔다. 하지만 물은 영하 40℃ 이하로 내려가면 매우 빠르게 얼어버리기 때문에 누구도 실험을 통해 임계점의 존재를 증명할 수 없었다.

김 교수 연구팀은 'X선 자유전자레이저'(PAL-XFEL)를 활용해 영하 70℃에서도 얼지 않는 물을 만들었다. 태양보다 밝은 빛을 물에 쬐어 10조분의 1초 단위로 물 분자의 움직임을 측정했다. 그 결과 문제의 '액체-액체 임계점'이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다.

연구팀은 이 난제를 10년에 걸쳐 풀었다. 2017년 영하 45℃ 이하에서도 얼지 않은 물을 세계 최초로 측정했다. 2020년에는 관측 범위를 영하 70℃까지 넓혀 물이 실제로 두 액체 상태를 가짐을 증명했다. 이번 연구를 통해 두 상태가 어느 임계점에서 하나로 합쳐지는지 찾았다.

김 교수는 "물의 특별한 성질과 '액체-액체 임계점'을 둘러싼 오랜 세월 동안의 학계 논쟁을 마침내 매듭지었다"며 "이번 발견은 생명 현상을 비롯해 다양한 자연 현상에서 물이 갖는 필수적인 역할을 규명할 출발점이 될 것"이라고 밝혔다.

연구팀은 5월부터 포항 4세대 가속기 실험을 통해 액체-액체 임계점을 더 정밀하게 찾아낼 예정이다.

박건희 기자 wissen@mt.co.kr