영하60도 액체 임계점 첫 관찰…"과학 교과서 다시 써야"

포항공대-스톡홀름대, ‘액체-액체 임계점’ 가설 30년만에 입증

영하60도 부근서 물 성질이 완전히 바뀌는 임계점이 존재한다는 사실이 세계 처음 관찰됐다.

김경환 포항공과대학교(POSTECH) 화학과 교수 연구팀(제1저자=유선주 석·박사통합과정생)은 앤더스 닐슨 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 교수 연구팀(제1저자=마조리 래드-파라다)과 공동으로 ‘액체-액체 임계점’ 가설을 세계 처음 실험적으로 입증했다고 밝혔다.

이 같은 연구 결과는 27일 오전 3시(한국시간, 미국 동부시간 26일 오후2시) 세계적인 국제 학술지 사이언스에 게재됐다.

X선 자유전자 레이저를 활용해 관측된 액체-액체 임계점이 존재한다는 실험적 증거에 대한 모식도.(그림=포항공대 )

이번 연구는 과학기술정보통신부 ‘기초연구사업(우수신진연구 및 선도연구센터)’과 삼성 ‘미래기술육성사업’의 일환으로 수행됐다.

김경환 교수는 "이번 연구 성과는 물의 새로운 성질을 찾은 것"이라며 "단기적으로는 액체-액체 임계점 위치를 정확히 찾는 일과 장기적으로는 단백질과 물 등의 상호작용을 정교하게 규명하는 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

과학기술계는 30년전 물의 특이한 성질이 나타나는 원인이 저밀도와 고밀도 물 때문이라고 규정하고, 이들 두 상태가 구분되지 않는 '액체-액체 임계점'이 존재할 것이라는 가설을 내놨다.

이들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 '액체-액체 임계점'이 높은 압력 상태에서 영하 60도 부근에 존재할 것으로 예상했다. 그러나 영하 40도 이하에서 물은 너무 빠른 시간 안에 얼기 때문에 영하 60도 액체 물을 연구하는 것이 불가능했다.

김경환 교수는 "그 누구도 실험을 통해 ‘액체-액체 임계점’ 존재를 확인하지 못해 30년간 과학기술계 논쟁거리였다"고 설명했다.

연구팀은 우선 적외선 레이저로 높은 압력에서 제조된 비정질 얼음을 녹여, 영하 70~영하 60도에서도 액체 상태로 존재하는 물을 만들었다. 그러나 이렇게 만들어진 물은 대략 1만분의 1초 만에 얼어붙어 구조를 들여다보는 것이 어려웠다.

유선주 석·박사통합과정생은 "이 물분자를 관찰하기 위해선 특별한 방법이 필요했다"며 "태양보다 10경배 더 밝은 빛을 제공하고, 10조분의 1초만에 분자의 움직임을 측정할 수 있는 X선 자유 전자 레이저(XFEL)에서 나오는 강력한 X선을 이용했다"고 말했다.

연구팀은 이 관찰을 통해 온도가 낮을 때는 저밀도와 고밀도, 두 종류의 액체 물이 구분돼 존재하지만 영하 60도 근처에서는 ‘액체-액체 임계점’이 존재해 저밀도와 고밀도가 뒤섞여 서로 구분되지 않는 보통 물이 만들어진다는 사실을 처음 증명했다.

유선주 석·박사통합과정생은 "기존에는 비정질 얼음을 가열하는 방식으로 영하 70도까지 얼지 않은 상태의 물만 만들 수 있었기 때문에 두 종류의 액체 물이 구분되는 것만을 관측할 수 있었다"며 "하지만 우리는 두 종류의 적외선 레이저를 동시에 사용하는 방식으로 영하 60도 부근까지 비정질 얼음을 가열, 액체 물을 얻는데 성공할 수 있었다"고 부연설명했다.

포항공대 김경환 교수(왼쪽)와 유선주 석·박사통합 과정생.(사진=포항공대)

김경환 교수는 “물의 특별한 성질과 ‘액체-액체 임계점’을 둘러싼 오랜 세월 동안의 학계 논쟁이 마침내 매듭지어지게 됐다"라며 "새로운 임계점 존재와 위치를 고려해 향후 만들어질 더욱 정확한 물의 상태 방정식은 물의 물리적 특성이 관여하는 수많은 기초 및 실용 연구의 정확성을 향상시키는 데에 중요한 역할을 할 것"으로 예상했다.

구혁채 과기정통부 제1차관은 “김경환 교수는 2019년부터 과기정통부 우수신진연구 과제를 수행하며 물 분야에서에서 탁월한 역량을 입증해 온 연구자”라며, “앞으로도 신진연구자들이 안정적인 환경에서 연구에 몰입, 세계적 석학으로 성장할 수 있도록 지원체계를 강화해 나갈 것”이라고 밝혔다.