기사 공유하기

로고

POSTECH-스톡홀름대 공동연구팀, 4세대방사광가속기로 과냉각물 실험적 관측 성공

‘존재한 적 없던’ -70℃의 물 찰나(刹那)의 빛으로 보다
영하 70℃물로 ‘무거운 물’, ‘가벼운 물’로 상변이 과정 관측…학부생 참여 ‘눈길’

입력 2020-11-22 15:26 | 수정 2020-11-24 16:35

▲ 영하 70℃의 얼지 않은 무거운 물을 만들어 100 펨토초 이하의 X선을 이용해 이 물이 가벼운 물로 바뀌는 과정을 관측한 사진.ⓒ포스텍

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학과 김경환 교수팀과 스웨덴 스톡홀름대 앤더스 닐슨 교수팀은 영하 70℃의 얼지 않은 무거운 물을 만들어 100 펨토초 이하의 X선을 이용해 이 물이 가벼운 물로 바뀌는 과정을 관측하는 데 성공했다.

이 결과는 물이 원래 무거운 물과 가벼운 물로 이뤄져 있다는 이론의 직접적 증거로 학계의 비상한 관심을 모아 과학 분야 최고 권위지인 ‘사이언스(Science)’지 최신호를 통해 발표됐다. 

이번 연구에는 연구 당시 아직 학부생이었던 유선주 씨와 정상민 씨도 참여해 더욱 눈길을 끌었다.

물의 성질에 대한 다양한 가설 중, 액체-액체 임계점 가설은 극도로 냉각된 조건 아래에서는 물이 무거운 물과 가벼운 물로 나눠지며 두 물 사이에서 상태가 변화한다는 가설이다. 

이 가설을 증명하기 위해서는 영하 43℃ 이하의 얼지 않은 물을 만들어야 하지만 현실적으로 불가능한 일로 오랫동안 여겨져 왔다.

3년 전 이미 영하 46℃의 얼지 않은 물을 측정한 연구결과를 같은 저널을 통해 발표한 바 있는 연구팀은 이를 더 발전시켜 영하 70℃에서도 얼지 않은 상태의 물을 만드는 실험에 도전했다.

먼저 영하 160℃의 고밀도-비정질 얼음(HDA)을 만든 연구팀은 이 얼음을 강력한 레이저로 순간적으로 가열해 영하 70℃의 무거운 물을 만들어냈다. 

이 물은 찰나의 순간에만 존재하는 물로, 이 물을 관측하기 위해서는 극도로 밝으면서 찰나보다 빠른 빛이 필요하다. 

연구팀은 이러한 조건을 갖춰 ‘꿈의 빛’으로 불리는 포항 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)에서 나오는 X선을 활용, 영하 70℃의 얼지 않은 물을 순간적으로 측정했다. 그리고 이 무거운 물이 가벼운 물로 상변이를 일으키는 과정을 관측했다.

연구 결과는 물이 원래 무거운 물과 가벼운 물, 두 가지의 액체상으로 이루어져 있다는 가설을 뒷받침하는 직접적인 증거로서 이와 관련된 물의 여러 특성들의 원인을 규명할 수 있을 것으로 기대된다. 

무엇보다 물이 왜 생명현상에 반드시 필요하고 적합한 존재인가를 근원적으로 이해하는 중요한 단서로 학계에서는 평가하고 있다.

김경환 교수는 “이번 연구성과는 물의 비밀에 도전해온 세계 연구자들의 오랜 논쟁을 해소해 줄 중요한 연구결과이며 물이 가진 변칙적인 특성을 이해해 물과 생명의 미스테리를 푸는 단초가 될 것”이라며 “기초 과학에서 큰 의미를 가질 이 중요한 연구 성과에서 학부생들이 상당 부분 기여한 것 역시 주목할 부분”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진연구자 지원사업의 지원을 통해 수행됐으며, 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기 PAL-XFEL을 활용했다. 
뉴데일리 댓글 운영정책

뉴데일리 경제

대구·경북

뉴데일리 후원하기