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과학계의 오랜 난제였던 물의 ‘액체-액체 임계점’ 가설을 국내 연구진이 세계 최초로 입증해냈다.

과학기술정보통신부는 27일 포항공과대(POSTECH) 김경환 교수 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 앤더스 닐슨 교수팀과 공동 실험한 결과 물의 ‘액체-액체 임계점’을 처음 관측했다고 밝혔다.

일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4도(℃)에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워진다. 이러한 독특한 특징 때문에 겨울에도 강이나 호수의 표면만 얼고 아래쪽에는 액체 상태의 물이 유지돼 그 속에서 생명이 유지될 수 있다.

하지만 왜 물이 다른 액체와 다른 특징을 가지게 되었는지에 대한 근본적 이유는 과학계의 오랜 숙제로 남아 있었다.

이에 대한 해답 중 하나로 제시된 것이 ‘액체-액체 임계점’ 가설이다. 이 가설은 물이 ‘고밀도 물’과 ‘저밀도 물’이라는 두 종류의 액체상으로 공존하며, 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 우리가 일상에서 보는 물이 된다고 가정한다.

학계에서는 이 임계점이 극저온 영역(영하 40도~영하 70도 사이)에 존재할 것으로 예상했다. 하지만 물은 영하 40도 이하로 내려가는 순간 매우 빠르게 얼어버리기 때문에 실제로 임계점의 존재가 증명된 사례가 전무했다.

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포스텍 연구팀은 극저온에서도 얼지 않는 물을 만들고 그 구조를 측정하기 위해 ‘X선 자유전자레이저(PAL-XFEL)’를 활용했다. 그 결과 ‘액체-액체 임계점’이 영하 60도 부근에 있음을 확인하는 데 성공했다.

해당 반사광원은 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 측정할 수 있다. 이를 통해 영하 60도 이하부터 물이 두 가지 액체 상으로 존재함을 포착한 것이다.

이번 성과는 물의 특별한 성질을 둘러싼 학계 논쟁에 마침표를 찍고, 앞으로 여러 중요한 자연 현상에서 물이 갖는 필수적인 역할을 규명하는 출발점이 된다는 점에서 과학적 의미가 크다.

김경환 교수는 “이번 연구를 계기로 물의 특성에 중대한 영향을 받는 생명 현상 및 생체분자 연구·기후변화 연구 등의 정확도가 크게 향상될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 과기정통부 기초연구사업 및 삼성 미래기술 육성사업으로 수행된 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 사이언스지에 3월 27일(현지 시간 26일)에 게재됐다. 구혁채 과기정통부 제1차관은 “앞으로도 신진연구자들이 안정적인 환경에서 연구에 몰입하여, 세계적 석학으로 성장할 수 있도록 지원체계를 강화해 나갈 것”이라고 전했다.

장형임 기자 jang@sedaily.com

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