물은 왜 4도에서 가장 무거울까…국내 연구진 10년 만에 풀었다

(서울=연합뉴스) 조승한 기자 = 물이 다른 액체와 달리 섭씨 4도에서 가장 무거워지는 이유를 국내 연구진이 10년여에 걸친 연구 끝에 밝혀냈다.

100만분의 1초만 존재하는 극미량의 과냉각 물을 관측해 물이 실제로는 저밀도 물과 고밀도 물이 섞여 있으며, 4도 아래에서 저밀도 물 비중이 높아진단 가설을 증명한 것이다.

과학기술정보통신부는 김경환 포항공대 교수 연구팀이 앤더스 닐슨 스웨덴 스톡홀름대 교수팀과 공동으로 물의 '액체-액체 임계점'을 세계 최초로 관측했다고 27일 밝혔다.

이번 연구는 세계 최고 권위 학술지인 '사이언스'에 이날 발표됐다.

물은 지구에 있어 가장 중요한 물질이자 인류가 가장 오래 연구해 온 대상이지만 여전히 가장 특이하고 이해하기 어려운 물질로 꼽힌다.

예를 들어 보통의 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4도에서 가장 무거워졌다 차가워지면 오히려 가벼워지는 현상이 대표적이다.

이 때문에 겨울에도 강이나 호수 표면만 얼고 아래쪽은 액체 상태 물이 남아 물속 생명을 유지해주게 되는데, 왜 이런 특성이 있는지는 과학계의 오랜 난제로 남아 있었다.

이를 설명하기 위해 약 30년 전 과학자들은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류의 액체상(相, 일정한 물리적 성질을 가지는 균일한 물질계)으로 공존한다는 가설을 제시했다.

아주 낮은 온도에서는 두 종류의 물이 구분되지만, 특정 온도(임계점)에 도달하면 둘 사이 구분이 사라진 '초임계' 상태가 돼 일상에서는 둘이 섞인 상태로 존재한다는 것이다.

높은 온도에서는 고밀도 물, 낮은 온도에서는 저밀도 물로 더 많이 존재하고, 4도에서 급격히 저밀도 물의 비율이 늘어나면서 밀도가 다시 줄어드는 것으로 설명할 수 있다.

두 액체상이 섞여 있음을 증명하려면 임계점의 존재를 확인하면 된다.

하지만 영하 40도에서 영하 70도 사이 극저온에 임계점이 있을 것으로 예측되면서, 극저온에서 매우 빠르게 어는 물을 관측할 길이 없어 이 가설을 놓고 수십 년간 논쟁이 이어져 왔다.

김 교수팀은 우선 진공에서 작은 물방울을 뿌려 물이 빠르게 증발하며 낮은 온도까지 도달하는 기법과, 얼음을 레이저로 가열해 순간적으로 영하 70도 물을 만드는 기법을 개발했다.

이 방식은 100만분의 1초 만에 어는 10억분의 1g 물을 만들 수 있는데, 연구팀은 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자 움직임을 측정할 수 있는 포항가속기연구소의 4세대 가속기(X선 자유전자레이저, XFEL)를 활용해 이 찰나의 순간을 관측해냈다.

2017년 4세대 가속기 가동 당시 첫 실험자로 선정돼 진행한 실험에서 김 교수팀은 영하 45도 이하 얼지 않은 물을 측정할 수 있음을 처음 밝혀내 사이언스에 발표했다.

이어 2020년에는 영하 70도에서 실제 물이 두 종류 액체상으로 존재하는 것을 확인해 다시 사이언스에 발표했다.

이후 6년간에 걸쳐 영하 50도에서 70도 사이를 뒤져 임계점이라는 단 하나의 점이 영하 60도 부근에 있다는 것을 처음으로 관측해낸 것이다.

김 교수는 24일 세종 과기정통부에서 열린 브리핑에서 "영하 45도가 되면 기존에 가능했던 그 어떠한 측정 방법, 가능한 측정 방법보다도 더 빠르게 얼어붙기 때문에 이러한 연구는 실험적으로 접근이 불가능한 영역, '무인지대'로 불려 왔다"며 "불가능한 것으로 여겨졌던 측정에 10년간 뚝심 있게 도전해 왔고, 지금까지도 우리 연구팀에서만 이 영역을 측정할 수 있다"고 말했다.

이어 그는 "오차범위가 8도여서 새로운 실험으로 더 정확히 짚어내려 하고 있다"며 "밝혀낸 이론을 바탕으로 물의 이해에서 한 단계 나아간 실험을 많이 계획하고 있다"고 말했다.

이번 연구를 통해 물의 액체-액체 임계점을 둘러싼 학계 논쟁은 매듭지어지게 됐다.

김 교수는 "기초연구이기 때문에 당장 어떤 부가가치를 만드는 것은 아니지만, 물의 특성을 이해해 물이 어떻게 필수적 역할을 수행하는지를 연구하는 출발점이 될 것"이라며 "물의 특성을 이전보다도 훨씬 더 잘 이해할 수 있게 되었고, 이를 바탕으로 다른 수많은 연구의 정확도를 크게 향상할 수 있는 파급효과가 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

학부 때부터 연구에 참여해 이번 논문 1저자가 된 유선주 포항공대 석박사통합과정생은 "연구 과정에서 아무도 해내지 않은 일을 해낸다는 게 엄청나게 어렵다는 걸 느꼈다"며 "앞으로도 더 교과서에 실릴 만한 연구를 하고 싶다"고 말했다.

shjo@yna.co.kr

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