영하 60도서 포착된 '물의 두 얼굴'…액체-액체 임계점 세계 첫 관측

X선 자유전자 레이저를 활용해 관측된 액체-액체 임계점이 존재한다는 실험적 증거에 대한 모식도. (김경환 교수)

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