과학기술정보통신부는 포항공과대학교(POSTECH) 김경환 교수 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 앤더스 닐슨 교수팀과 공동으로 물의 ‘액체-액체 임계점’을 세계 최초로 관측했다고 밝혔다.

과기정통부 ‘기초연구 사업(우수 신진 연구 및 선도연구센터)’과 삼성 ‘미래 기술 육성 사업’으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인'사이언스(Science)'지(誌)에 3월 27일(현지 시각 3월 26일 14시, 미국 동부 일광 절약 시간'EDT') 게재됐다.

물은 가장 중요한 물질이자 인류가 가장 오래 연구해 온 대상 중 하나이지만, 여전히 가장 특이하고 이해하기 어려운 물질로 꼽힌다. 예를 들어, 일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워지는 독특한 특징을 보인다.

이 때문에 겨울에도 강이나 호수의 표면만 얼고 아래쪽에는 액체 상태의 물이 남아, 그 속에서 생명이 유지될 수 있다.

하지만 왜 물이 다른 액체와 다르게 이러한 특징을 가지게 됐는지 근본적인 이유는 과학계의 오랜 숙제로 남아 있었다.

과학자들은 이에 대한 해답 중 하나로 ‘액체-액체 임계점’ 가설을 제시했다. 이 가설은 물이 고밀도 물과 저밀도 물이라는 두 종류의 액체상으로 공존하며, 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 우리가 일상에서 보는 물이 된다는 가정이다.

학계에서는 이 임계점이 존재한다면 영하 40℃에서 영하 70℃ 사이의 극저온 영역에 존재할 것으로 예측했다. 그러나 물은 영하 40℃ 이하로 내려가면 매우 빠르게 얼어버리기 때문에, 누구도 실험을 통해 임계점의 존재를 증명할 수 없었으며, 수십 년 동안 논쟁으로 이어져 왔다.

연구팀은 영하 70℃에서도 얼지 않은 물을 만들기 위해 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 측정할 수 있는 ‘엑스(X)선 자유전자레이저(PAL-XFEL)’를 활용했고, 실험 끝에 ‘액체-액체 임계점’이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다.

이번 성과는 ‘액체-액체 임계점’ 가설을 실험으로 입증했을 뿐만 아니라, 물이 가지고 있는 특별한 성질이 고밀도 물과 저밀도 물의 경쟁에서 비롯된다는 근거를 제시했다는 점에서 그 의미가 크다고 할 수 있다.

연구팀은 이미 2017년에는 영하 45℃까지 얼지 않은 물을 세계 최초로 관측했으며, 2020년에는 영하 70℃까지 관측 범위를 넓혀 사이언스지에 두 차례 성과를 게재한 바 있다.

그 이후에도, 연구팀은 물의 온도와 압력에 따른 변화를 정밀하게 추적하며 끈질기게 연구를 이어온 끝에, 임계점 관측에 성공하게 됐다.

이 성과가 다시 한번 사이언스지에 게재되면서 전 세계에 연구팀의 집념과 저력을 유감없이 발휘했다.

김경환 교수는 “물의 특별한 성질과 ‘액체-액체 임계점’을 둘러싼 오랜 세월 동안의 학계 논쟁이 마침내 매듭지어지게 됐다"라고 이번 성과의 의의를 밝히며, “이번 발견은 생명 현상을 비롯해 다양한 자연 현상에서 물이 갖는 필수적인 역할을 규명하는 출발점이 될 것”이라고 덧붙였다.

과기정통부 구혁채 제1차관은 “김경환 교수는 ’19년부터 과기정통부 우수 신진 연구 과제를 수행하며 물 분야에서 탁월한 역량을 입증해 온 연구자”라며, “앞으로도 신진연구자들이 안정적인 환경에서 연구에 몰입하여, 세계적 석학으로 성장할 수 있도록 지원체계를 강화해 나갈 것”이라고 밝혔다.