물은 4℃ 아래에서 왜 가벼울까?…'액체-액체 임계점' 관측

[앵커]

국내 연구진이 영하 60도 부근의 매우 낮은 온도에서 '액체-액체 임계점'을 관측하는 데 성공했습니다.

이번 연구는 물의 특이한 성질을 설명할 중요한 단서를 제시한 것으로, 생명현상과 기후 변화 등 다양한 연구에도 도움이 될 것으로 기대됩니다.

권석화 기자가 보도합니다.

[기자]

일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 더 낮아지면 오히려 가벼워집니다.

물의 이런 특성은 오랫동안 풀리지 않는 의문이었습니다.

그런데 국내 연구팀이 그 원인을 규명하는 데 성공했습니다.

물에는 저밀도 물과 고밀도 물이 섞여 있으며, 4도 아래에서 저밀도 물 비중이 높아지기 때문이란 겁니다.

임계점은 일반적으로 액체가 수증기로 변할 때 액체와 기체의 구분이 사라지는 지점을 의미하는데,

'액체-액체 임계점'은 액체 상태 안에서 고밀도 물과 저밀도 물의 구분이 사라지는 지점을 말합니다.

과학자들은 '액체-액체 임계점' 가설을 제시했지만
영하 40도 이하에서는 물의 상태를 관찰하는 것 자체가 불가능했습니다.

이에 연구팀은 일반 얼음보다 훨씬 낮은 온도에서도 녹을 수 있는 비정질 얼음을 레이저로 빠르게 녹여 아주 짧은 순간에 영하 70도에서도 액체 상태의 물을 만들어냈습니다.

이후 물이 다시 얼기 전에 X선 자유전자레이저를 이용해 10조 분의 1초 단위로 물 분자의 구조 변화를 관측했습니다.

이를 통해 영하 60도 부근의 과냉각 상태에서 '액체-액체 임계점'을 처음으로 관측하면서 물의 특성을 설명할 핵심 단서를 제시한 겁니다.

[김경환 / 포항공대 화학과 교수 : "영하 45도가 되면 기존에 가능했던 그 어떠한 측정 방법, 가능한 측정 방법보다도 더 빠르게 얼어붙기 때문에 / 영하 70도부터 온도를 점점 올려가면서 어떤 변화가 있는지를 X선 자유전자 레이저로…."]


이번 연구는 물의 특이한 성질이 두 액체 상태 간 상호작용에서 비롯된다는 점을 보여준 성과라는 평가입니다.

연구팀은 앞으로 임계점의 위치를 더 정밀하게 규명해 생명현상과 기후 변화 등 다양한 분야 연구에 활용한다는 계획입니다.

연구 성과는 국제학술지 '사이언스'에 실렸습니다.

YTN 사이언스 권석화 입니다.






YTN 사이언스 권석화 (stoneflower@ytn.co.kr)