“4도에서 물이 가장 무거운 이유”... 포스텍 연구팀, 100년 난제 풀었다

저밀도 물과 고밀도 물 비율에 의해 4도시에서 가장 높아지는 물의 밀도 [김경환 교수 제공. 재판매 및 DB 금지]

포항공과대학교(POSTECH) 화학과 김경환 교수 연구팀은 스웨덴 스톡홀름대 연구팀과 공동으로 물이 섭씨 4도에서 가장 무거운(밀도가 높은) 상태가 되는 근본적인 이유인 ‘액체-액체 임계점’을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다고 27일 밝혔다. 

이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학 학술지인 ‘사이언스(Science)’에 발표되며 학계의 이목을 집중시키고 있다.

보통의 액체는 온도가 내려갈수록 분자 간 거리가 좁아져 밀도가 높아지지만, 물은 4도까지 무거워지다가 그보다 차가워지면 오히려 부피가 늘어나며 가벼워진다. 

고밀도 물(위쪽)과 저밀도 물(아래쪽) [김경환 교수 제공. 재판매 및 DB 금지]

이 때문에 얼음이 물 위에 뜨고, 추운 겨울에도 깊은 물속은 4도를 유지해 물고기들이 살 수 있다. 

과학계는 이 기이한 현상을 설명하기 위해 약 30년 전 ‘물은 두 종류의 액체(고밀도와 저밀도)가 섞인 상태’라는 가설을 세웠으나, 이를 실험적으로 증명하는 것은 불가능에 가까운 영역으로 여겨져 왔다.

두 종류의 물이 공존함을 증명하려면 영하 45도에서 70도 사이의 이른바 ‘무인지대(No Man’s Land)’에서 물을 관측해야 한다. 

하지만 이 온도에서 물은 100만분의 1초라는 찰나의 순간에 얼어붙기 때문에 기존 측정 방식으로는 접근조차 할 수 없었다.

김 교수팀은 10억분의 1g 수준의 미세한 물방울을 진공 상태에서 증발시키거나, 얼음을 레이저로 순식간에 가열해 영하 70도의 액체 상태 물을 만드는 독보적인 기술을 개발했다. 

여기에 태양보다 수십억 배 밝은 빛으로 분자 움직임을 포착하는 ‘포항 4세대 방사광가속기(XFEL)’를 활용해 찰나의 순간을 포착, 마침내 영하 60도 부근에 존재하는 ‘임계점’을 찾아냈다.

연구팀의 관측 결과, 물은 높은 온도에서는 고밀도 상태로 존재하다가 온도가 낮아질수록 저밀도 물의 비중이 급격히 늘어난다. 

특히 4도 부근에서 저밀도 물의 비율이 증가하기 시작하면서 전체 밀도가 다시 줄어들게 된다는 사실이 실험으로 증명된 것이다.

김경환 교수는 “10년 동안 불가능으로 여겨졌던 측정 영역에 도전해 얻은 결실”이라며 “이번 연구는 물이 지구 생명 현상에서 어떻게 필수적인 역할을 수행하는지 이해하는 새로운 출발점이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 포스텍의 성과는 단순히 과학적 호기심을 충족시키는 수준을 넘어, 기상학, 생물학, 재료공학 등 물을 다루는 모든 학문의 정확도를 한 단계 높일 수 있는 쾌거로 평가받는다. 

특히 우리 기술력인 포항 4세대 가속기가 결정적인 역할을 했다는 점에서 한국 기초과학의 위상을 전 세계에 다시 한번 각인시켰다..

10년에 걸친 연구로 '물의 비밀' 밝혀낸 김경환 교수