'액체-액체 임계점'은 영하 60℃…물이 가진 비밀 10년 만에 세계 최초로 확인

포스텍 등 국내외 연구팀, 'X선 자유전자레이저' 활용해 규명
물의 특별한 성질은 고밀도 물과 저밀도 물의 경쟁이 원인

물의 가장 깊은 비밀로 꼽히는 임계점 온도를10년 연구 끝에 규명한 포스텍 등 국내외 연구팀. 포스텍 제공

포스텍 김경환 교수

국내외 연구진들이 인류가 수백 년간 풀지 못했던 물의 가장 깊은 비밀인 임계점 온도를 10년에 걸친 끈질긴 연구 끝에 밝혀냈다.

30일 과학기술정보통신부에 따르면 포스텍 김경환 교수 연구팀은 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 앤더스 닐슨 교수팀과 협업해 물의 '액체-액체 임계점(영하 60℃)'을 세계 최초로 관측하는데 성공했다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 사이언스지에 게재됐다.

많은 연구자들은 한결같이 독특한 성질 때문인지 물을 이해하기 어려운 물질로 꼽는다.

이를테면 일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워지는 특성을 보인다. 이 때문에 겨울에도 강이나 호수의 표면만 얼고 아래쪽에는 액체 상태의 물이 남아, 그 속의 생명이 유지될 수 있다.

하지만 물이 왜 다른 액체와 특성이 다른지에 대한 근본적인 이유는 누구도 밝혀내지 못했다.

과학자들은 이에 대한 해답으로 '액체-액체 임계점' 가설을 제시했다. 이 가설은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류로 공존하며, 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 우리가 일상에서 보는 물이 된다는 가정이다.

학계에서는 이 임계점이 존재한다면 영하 40℃에서 영하 70℃ 사이의 극저온 영역에 존재할 것으로 예측했지만 물이 너무 빨리 얼어버리는 통에 증명이 불가능했다.

이에 연구팀은 영하 70℃에서도 얼지 않은 물을 만들기 위해 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 측정할 수 있는 'X선 자유전자레이저'를 활용했다.

그 결과 '액체-액체 임계점'이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 확인해 냈다. 연구팀이 2017년 영하 45℃까지 얼지 않는 물을 세계 최초로 관측한 이후 10년만의 성과다.

이번 연구는 '액체-액체 임계점' 가설을 실험으로 입증했을뿐 아니라, 물이 가지고 있는 특별한 성질이 고밀도 물과 저밀도 물의 경쟁에서 비롯된다는 근거도 제시해냈다는 점에서 의미깊다고 연구팀은 설명했다.

김경환 교수는 "물의 특별한 성질과 '액체-액체 임계점'을 둘러싼 오랜 세월의 학계 논쟁을 마침내 매듭지어지게 됐다"며 "이번 발견은 생명 현상을 비롯해 다양한 자연 현상에서 물이 갖는 필수적인 역할을 규명하는 출발점이 될 것"이라고 했다.