포스텍, 영하 70도에도 얼지 않는 물 발견

스톡홀름대 공동 연구팀과
방사광가속기 활용 측정 성공
물의 여러 특성 원인 규명 기대

가설로만 존재했던 ‘액체-액체 임계점(LLCP)’을 뒷받침하는 직접적인 증거를 밝혀낸 포항공대 연구팀. 왼쪽부터 시계방향으로 정상민씨(학부생), 양철희 박사, 김경환 교수, 유선주씨(석사과정) /포항공과대학교 제공

포항공과대학교 연구팀이 4세대 방사광가속기를 이용해 영하 70℃의 ‘얼지 않은 물’을 만들어냈다. 이 결과는 물이 원래 무거운 물과 가벼운 물로 이뤄져 있다는 이론의 직접적 증거로 학계의 비상한 관심을 모아 과학 분야 최고 권위지인 ‘사이언스(Science)’ 최신호를 통해 발표됐다.

김경환 포항공대 화학과 교수 연구팀과 스웨덴 스톡홀름대 앤더스 닐슨 교수팀은 영하 70℃의 얼지 않은 무거운 물을 만들어 100 펨토초 이하의 X선을 이용, 이 물이 가벼운 물로 바뀌는 과정을 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

영하의 온도가 되면 액체 상태의 물은 고체 상태의 얼음으로 변하는 게 일반 상식이다. 그러나 영하 20℃에 달하는 한파 속에서 강 표면은 얼어붙어도 강물은 모두 얼지 않아 물고기도 겨울을 날 수 있는 것처럼, 물은 다른 액체와 구분되는 여러 변칙적인 특성을 가졌다. 물의 여러 특성을 설명하는 데 가장 일반적인 가설은 ‘액체-액체 임계점(LLCP)’이다. 물이 무거운 물(HDL)과 가벼운 물(LDL)의 구조로 이루어져 있고, 두 물 사이에서 상태 변화가 이뤄진다는 이야기다. 이를 증명하기 위해서는 영하 43℃ 이하의 ‘얼지 않은’ 물을 만들어낼 수 있어야 한다. 현실적으로 불가능한 일로 여겨져, 오랫동안 가설로만 존재해 있다.

연구팀은 먼저 영하 160℃의 ‘고밀도-비정질 얼음(HDA)’을 만들고, 강력한 레이저로 순간적으로 가열해 영하 70℃의 무거운 물을 만들어냈다. 이 물은 찰나의 순간에만 존재하는 물로, 이 물을 관측하기 위해서는 극도로 밝으면서, 찰나보다 빠른 빛이 필요하다.

연구팀은 포항 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)에서 나오는 X선을 활용, 찰나의 순간을 측정하는 데 성공했다. 동시에 이 무거운 물이 가벼운 물로 상변이를 일으키는 과정을 관측했다.

이 연구 결과는 물이 원래 무거운 물과 가벼운 물, 두 가지의 액체상으로 이루어져 있다는 가설을 뒷받침하는 직접적인 증거로서, 이와 관련된 물의 여러 특성들의 원인을 규명할 수 있을 것으로 기대된다. 무엇보다 물이 왜 생명현상에 반드시 필요하고, 적합한 존재인가를 근원적으로 이해하는 중요한 단서로 학계에서는 평가하고 있다.

/이바름기자 [e-mail]