POSTECH·스톡홀름대학, 영하 45도 '물의 비밀' 30년만에 풀었다.
영하 45도에서 순간적으로 물의 움직임이 바뀔 것이라는 가설이 30년 만에 풀렸다. POSTECH은 화학과 김경환 교수와 신명식 석박사과정생 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대 물리학과 앤더스 닐슨 교수 연구팀과 공동으로 물이 영하 39.95도(233.2K)에서 얼기전 순간적으로 끈적임 경향이 달라지는 '전이점'을 처음 확인했다고 7일 밝혔다. 연구 성과는 물리학 분야 국제 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)' 온라인판에 게재됐다. 물은 일상생활은 물론 생명과 환경, 산업 전반에 깊이 관여하는 핵심 물질이다. 하지만 ▲100도를 넘는 높은 끓는점 ▲큰 비열과 기화열 ▲밀도 이상성(4도에서 밀도가 최대) ▲강한 응집력과 표면장력(모세관 현상) 등 특이한 성질도 많다. 과학적으로 명확히 규명된 것도 거의 없다. 특히, 물의 '끈적임'도 대표적인 미해결 숙제였다. 일반적으로 액체는 온도가 낮아질수록 더 끈적거린다. 과학자들은 초기 연구에서 물은 영하 45도에서 무한히 끈적이게 되고, 결국 움직임이 완전히 멈출 것이라고 예측했다. 그러나 이 예측이 물의 기본 성질들과 맞지 않는다는 것이 확인되면서 30년 전부터 물의 끈적임이 특정 온도에서 변할 것이란 가설이 제기됐다. 그러나 이를 검증하는 것은 쉽지 않았다. 물은 영하 수십 도에 이르면 순식간에 얼어붙어, 얼기 직전 움직임을 관찰하기가 매우 어렵기 때문이다. 연구팀은 진공 환경에서 물이 빠르게 증발하며 급격히 열을 빼앗는 현상을 이용해 순간에만 존재하는 얼지 않은 물을 만들어 관찰했다. 관찰은 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 분자 움직임을 10조 분의 1초 단위로 포착할 수 있는 X선 자유 전자 레이저로 이루어졌다. 신명식 석박사통합과정생(공동1저자)은 "물이 영하 40도 부근(233.2K)에서 끈적임 방식이 달라졌다. 물이 영하 45도에서 무한히 끈적해지며 멈추는 것이 아니라, 다른 방식으로 움직임을 유지한다는 사실이 처음 확인됐다"며 "이론으로만 존재하던 '전이점'이 실험 데이터로 입증된 성과"라고 말했다. 물의 끈적임이 차가워질수록 급격한 기울기로 느려질 것으로 예상했으나, 실제 관찰 결과 영하의 특정 온도부터는 끈적임이 일정하게 느려진다는 것을 연구팀이 확인했다는 것. 김경환 교수(교신저자)는 "물이 왜 비정상적인 성질을 보이는지에 대한 이해를 한 단계 끌어 올렸다는 점에서 의미가 크다"며 "극저온 냉각 기술, 항공우주·극지 연구, 생체 조직 보존 등 다양한 분야에서도 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것"으로 기대했다. 김 교수는 또 “지금껏 실험적으로 불가능하다고 여겨졌던 영역에서 직접적인 증거를 확보한 것"이라며 "이번 연구가 남아있는 물에 관한 여러 중요한 미스터리를 풀어가는 열쇠가 될 것”이라고 말했다. 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업과 선도연구센터사업 지원을 받아 수행됐다.
