포스텍과 스톡홀름대 공동연구진, 영하 70도의 물이 가진 비밀 풀다…찰나의 빛이 열쇠

영하 70도에서 물의 밀도 변화를 밝힌 포스텍 연구자들. 왼쪽 위부터 시계방향으로 정상민(학부생) 씨, 양철희 박사, 김경환 교수, 유선주(석사과정) 씨. 포스텍 제공

한겨울 강 표면은 꽁꽁 얼지만 강물은 얼지않아 물고기가 지낼 수 있는데, 그 이유가 뭘까. 과학계에서는 다른 액체와 구분되는 물의 밀도 특성 때문이라고 추측만 할 뿐, 아직 이를 명쾌하게 밝혀내진 못했다.

포스텍(포항공대·총장 김무환) 화학과 김경환 교수팀과 스웨덴 스톡홀름대 앤더스 닐슨 교수팀은 섭씨 영하 70℃에서 얼지 않은 무거운 물을 만들어, X선으로 찰나의 순간에 물이 밀도가 낮은 가벼운 물로 바뀌는 과정을 관측하는 데 성공했다.

물이 무거운 물과 가벼운 물로 이뤄져 있다는 이론의 직접적 증거를 마련한 연구로 평가받고 있으며, 성과는 과학 분야 최고 권위지인 '사이언스(Science)'지 최신호에 발표됐다.

연구진은 앞서 2017년 사이언스지에 발표한 자신들의 논문에서 영하 46℃의 얼지 않은 물을 측정한 연구결과를 토대로 영하 70℃에서 얼지 않은 상태의 물을 만드는데 주력했다.

우선 얼음을 녹여 순간적으로 극저온의 물을 제조하는 방법을 찾아냈다. 대기압의 3천배 정도의 압력을 가해 영하 160℃의 고밀도 얼음을 만든 뒤 이 얼음에 강력한 레이저를 쏘아 순간적으로 가열해 영하 70℃의 무거운 물을 현실화해냈다.

이 물은 찰나의 순간에만 존재하기 때문에 관측하기 위해서는 극도로 밝으면서, 엄청나게 빠른 빛이 필요하다.

연구팀은 이러한 조건을 갖추고 있는 '꿈의 빛' 포항 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)에서 펨토초(1천조분의 1)단위로 X선을 쏘아 영하 70℃의 얼지 않은 물을 순간적으로 측정했다. 압력이 내려가면서 무거운 물이 가벼운 물로 상변이를 일으키는 과정을 확인한 것이다.

김경환 포스텍 교수는 "이번 연구 성과는 물의 비밀에 도전해온 세계 연구자들의 오랜 논쟁을 해소해 줄 중요한 결과물이며, 물과 생명의 미스터리를 푸는 단초가 될 것으로 기대된다"며 "기초 과학에서 큰 의미를 가질 이 중요한 연구 성과에서 학부생들이 상당 부분 기여한 것 역시 주목할 부분"이라고 설명했다.