“물 속엔 두가지 액체 섞여 있다”…국내 연구진 세계 최초 증명

 사진=뉴시스

인류가 수백년간 풀지 못했던 물의 핵심 비밀 중 하나를 국내 연구진이 세계 최초로 증명했습니다.

고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류의 액체 상태가 공존하다 하나로 합쳐지는 '임계점'의 실체를 직접 관측함으로써, 물이 왜 다른 액체와 달리 차가울수록 가벼워지는지 등 특이한 물리적 성질을 설명하는 핵심 가설을 증명한 것입니다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교(POSTECH) 김경환 교수 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 앤더스 닐슨 교수팀과 공동으로 물의 ‘액체-액체 임계점’을 세계 최초로 관측했다고 27일 밝혔습니다.

수십년간 이론 영역에만 머물렀던 물의 미시적 구조 변화를 10조분의 1초 단위로 포착해낸 결과인데, 세계 최고 권위의 학술지인 ‘사이언스(Science)’에 27일 게재됐습니다.

물은 가장 중요한 물질이자 인류가 가장 오래 연구해 온 대상 중 하나이지만, 여전히 가장 특이하고 이해하기 어려운 물질로 꼽힙니다.

물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워지는 독특한 특징을 보입니다. 이같은 특징 때문에 겨울에도 강이나 호수의 표면만 얼고 아래쪽에는 액체 상태의 물이 남아 그 속에서 생명이 유지될 수 있습니다.

그런데 왜 물이 다른 액체와 다르게 이러한 특징을 가지게 되었는지 근본적인 이유는 과학계의 오랜 숙제로 남아 있었습니다.

과학자들은 이에 대한 해답 중 하나로 액체-액체 임계점 가설을 제시했습니다. 이 가설은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류의 액체상으로 공존하며, 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 우리가 일상에서 보는 물이 된다는 것입니다.

학계에서는 이 임계점이 존재한다면 영하 40℃~영하 70℃ 사이의 극저온 영역에 존재할 것으로 예측했습니다.

그러나 물은 영하 40℃ 이하로 내려가면 매우 빠르게 얼어버리기 때문에 누구도 실험을 통해 임계점의 존재를 증명할 수 없었으며, 수십년 동안 논쟁으로 이어져왔습니다.

 김경환 포항공대 교수가 지난 24일 세종시 정부세종청사에서 물의 '액체-액체 임계점’을 세계 최초로 관측했다고 밝히고 있다. 사진=뉴시스

연구팀은 영하 70℃에서도 얼지 않은 물을 만들기 위해 태양보다 수십억배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 측정할 수 있는 'X선 자유전자레이저(PAL-XFEL)'를 활용했습니다.

이같은 실험 끝에 액체-액체 임계점이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 세계 최초로 관측하는 데 성공했습니다.

이번 성과는 액체-액체 임계점 가설을 실험으로 입증했을 뿐만 아니라, 물이 가지고 있는 특별한 성질이 고밀도 물과 저밀도 물의 경쟁에서 비롯된다는 근거를 제시했다는 점에서 그 의미가 큽니다.

연구팀은 이미 2017년에 영하 45℃까지 얼지 않은 물을 세계 최초로 관측했으며, 2020년에는 영하 70℃까지 관측 범위를 넓혀 사이언스지에 두 차례 성과를 게재한 바 있습니다.

그 이후에도 물의 온도와 압력에 따른 변화를 정밀하게 추적하며 끈질기게 연구를 이어온 끝에 임계점 관측에 성공하게 됐습니다.