국내 연구진이 영하 60도의 극한 온도에서 물의 새로운 모습을 처음으로 직접 확인했다. 이번 연구로 물 속에 서로 다른 두 가지 액체 상태가 있다는 사실이 세계 최초로 밝혀졌다.

과학기술정보통신부는 김경환 포항공과대학교 교수 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대학교 연구팀과 함께 영하 60도의 환경에서 물의 '액체-액체 임계점'을 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

액체-액체 임계점은 물이 하나의 액체가 아니라, 성질이 다른 두 가지 액체 상태로 나뉠 수 있는 특별한 지점을 말한다. 쉽게 말해, 물이 같은 액체처럼 보이지만 사실은 두 가지 다른 모습으로 존재할 수 있다는 뜻이다.

연구진은 이번 발견이 물의 성질을 더 잘 이해하는 데 도움이 되고, 앞으로 과학 연구에도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

과기정통부 '기초연구사업'(우수신진연구 및 선도연구센터)과 삼성 '미래기술육성사업'으로 수행한 이번 연구 성과는 학술지 '사이언스'에 게재됐다.

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

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

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

과학자들은 이에 대한 해답 중 하나로 '액체-액체 임계점' 가설을 제시했다. 이 가설은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류의 액체상으로 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 예측했다. 그러나 물은 영하 40℃ 이하로 내려가면 매우 빠르게 얼어버리기 때문에, 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 분자의 움직임을 측정할 수 있는 'X선 자유전자레이저'(PAL-XFEL)를 활용한 실험 끝에 '액체-액체 임계점'이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다.

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

김경환 교수는 "물의 특별한 성질과 '액체-액체 임계점'을 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.

구혁채 과기정통부 제1차관은 "김경환 교수는 물 분야에서 탁월한 역량을 입증해 온 연구자"라며 "앞으로도 신진연구자들이 안정적인 환경에서 연구에 몰입해, 세계적 석학으로 성장할 수 있도록 지원체계를 강화해 나갈 것"이라고 했다.



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