물이 4℃에서 가장 무거운 이유, 韓 과학자 10년 '뚝심' 연구로 풀었다 작성일 03-27 32 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="PiG3Tiu5UK"> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="bf6412d6b0e20a86971a4227ee45ecfdfb9c90bb3b914674f35288be5e840fb8" dmcf-pid="QnH0yn71Ub" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="국내 연구팀이 포항 4세대 방사광가속기를 활용해 수십년간 난제로 여겨진 물의 특별한 성질의 원천을 실험적으로 규명하는 데 세계 최초로 성공했다. 포스텍 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202603/27/dongascience/20260327095804333qvle.png" data-org-width="680" dmcf-mid="8VeaQZcnp2" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202603/27/dongascience/20260327095804333qvle.png" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 국내 연구팀이 포항 4세대 방사광가속기를 활용해 수십년간 난제로 여겨진 물의 특별한 성질의 원천을 실험적으로 규명하는 데 세계 최초로 성공했다. 포스텍 제공 </figcaption> </figure> <p contents-hash="adbfd1bb2326440edabffe9534f5eec685e05fef7b25d8077e2cbb541a5a1018" dmcf-pid="xLXpWLztpB" dmcf-ptype="general">겨울이 되면 물은 위쪽부터 얼어붙는다. 물은 4℃에서 가장 무거워 아래로 가라앉기 때문에 수면 근처의 물이 어는점인 0℃에 먼저 도달하는 원리 때문이다. 얼핏 당연해 보이지만 온도가 낮아질수록 일관되게 밀도가 증가하는 다른 물질과는 완전히 구별되는 물만의 특징이다.</p> <p contents-hash="a3a30d5210631336be725938d53d9a16b3b4eea767b25fcfccfec09a53b5f755" dmcf-pid="y1JjM1EoFq" dmcf-ptype="general">국내 연구팀이 약 10년에 걸친 '뚝심' 연구를 통해 수십년간 난제로 여겨진 물의 특별함의 원천을 실험적으로 규명하는 데 성공했다.</p> <p contents-hash="7966c8a8644183fbbfe0767d09377dda4515c46cc9670f15130f2d138767c447" dmcf-pid="WtiARtDg7z" dmcf-ptype="general">과학기술정보통신부는 김경환 포스텍 화학과 교수팀이 안데르스 닐손 스웨덴 스톡홀름대 물리학과 교수팀과 공동으로 물의 '액체-액체 임계점'을 처음으로 관측했다고 27일 밝혔다. 연구결과는 26일(현지시간) 국제학술지 '사이언스'에 공개됐다.</p> <p contents-hash="942a4fe762ecdf0cdaafef40e2a48ad0fa58682da2e1a494e60d0bcb63a1f274" dmcf-pid="YFnceFwa37" dmcf-ptype="general"><strong>● 10년 걸쳐 차근차근 밝혀낸 '물의 비밀'</strong></p> <p contents-hash="f444877550d464d91e8a25cf180df05a2cffd38f233569a1f8c03031f5f04342" dmcf-pid="Gc0b1cV70u" dmcf-ptype="general">물은 우리 주변에 가장 흔한 물질이면서 동시에 생명현상에 필수적인 물질로 꼽힌다. 끓는점이 높고 온도를 올리는 데 필요한 에너지인 비열이 높아 지구의 안정적인 기후환경을 이루는 핵심 기반이 된다. 지구밖 환경에서 생명체의 존재를 확인하기 위해 먼저 물의 흔적을 탐사할 정도다.<br> </p> <p contents-hash="0569d579b2f72e46d43628b6975f21b3d4c7e4e68a71c17beea8354a0ad6de1a" dmcf-pid="HkpKtkfzUU" dmcf-ptype="general">다른 어떤 물질에서도 물과 같은 특성이 관찰된 적 없기 때문에 물의 특별한 성질의 원천이 무엇인지를 두고 학계에서는 수십년 이상 논쟁이 이어지고 있다.<br> </p> <p contents-hash="daee3b017d5b403668005783f2732e47127ab3cab58a852c14e2f33b29aad695" dmcf-pid="XEU9FE4qFp" dmcf-ptype="general">과학자들은 영하 45℃보다 낮은 극저온에서 액체인 물의 성질 변화가 크게 나타나기 때문에 이곳에 물의 비밀이 감춰져 있을 것으로 생각한다. 가장 유력한 가설은 물이 '고밀도 물'과 '저밀도 물'이라는 두 가지 액체 상으로 존재한다는 것이다. 이론에 따르면 우리가 상온에서 관찰하는 물은 하나의 상으로 보이기 때문에 이런 차이를 알아채기 어렵다.<br> </p> <p contents-hash="8bf7d1ab5bbe9660284d2fd5eec3dd6ae5647325252c17c540aa5260d7f643a2" dmcf-pid="ZDu23D8B00" dmcf-ptype="general">'두 가지 액체 상' 가설을 증명하려면 두 상의 구분이 사라지는 임계점이 존재한다는 사실을 실험적으로 밝혀내야 한다. 기술적 장벽이 높아 그동안 시도 자체가 불가능했다.</p> <p contents-hash="0fe45ff1470e9fdc640d3681cbef3982790f758e90b79623f77d07a386981077" dmcf-pid="5w7V0w6bz3" dmcf-ptype="general">먼저 영하 45℃보다 낮은 온도에서 얼지 않은 물을 구현하고 성질을 측정해야 한다. 일반적으로 영하 20℃까지는 깨끗한 물을 조심히 냉각하면 쉽게 과냉각 상태로 만들 수 있지만 영하 45℃ 이하의 과냉각수는 기존의 어떤 측정 방법보다도 얼어붙는 속도가 빠르기 때문에 실험적인 접근이 불가능했다.<br> </p> <p contents-hash="1dab0cc528b44d4c98e8712f176b9b43921f71b01d39478965da674d8322a8a7" dmcf-pid="1rzfprPKzF" dmcf-ptype="general">김 교수는 "극저온 과냉각수에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 기반 연구는 꾸준히 있었지만 실험으로는 구현 불가능한 영역으로 여겨져 '무인지대(No man's land)'라고 불릴 정도였다"고 설명했다.</p> <p contents-hash="da469c8314efff01ea71e07ff9444b3407fc0e942e78d663216b9d4e2bde87d3" dmcf-pid="tmq4UmQ97t" dmcf-ptype="general">10년에 걸쳐 물의 비밀을 밝혀내는 연구성과가 차곡차곡 쌓였다. 연구팀은 첫단추로 영하 45℃ 이하의 얼지 않은 물의 성질 측정이 가능하다는 사실을 처음으로 증명하고 연구결과를 2017년 사이언스에 공개했다. 3년 뒤인 2020년에는 영하 70℃에서 물이 두 종류의 액체로 존재한다는 사실을 최초로 발견하고 연구결과를 사이언스에 발표했다.</p> <p contents-hash="176cfe4f31d8c5a0d3fb981b864cdee0745d536f8b89c90039950c22266ac942" dmcf-pid="FlVMblJ6U1" dmcf-ptype="general">과냉각수 구현에서는 물이 얼어붙는 속도보다 온도를 빠르게 내리는 것이 과제다. 결정 구조가 튼튼하지 않은 비정질 얼음을 레이저로 가열하면 순간적으로 영하 70℃의 극저온에서도 녹아 있는 물을 구현할 수 있다. 영하 70℃의 극한 과냉각수는 10억분의 1g으로 극소량 생성되며, 100만분의 1초 안에 얼어붙을 정도로 찰나에 존재한다.</p> <p contents-hash="89fe841eae46b3b175f2e324a3beab13d04698a9c4626a9edbb3cefc621396e4" dmcf-pid="3SfRKSiPU5" dmcf-ptype="general">짧은 시간에 과냉각수의 성질을 측정하는 문제는 포항 4세대 방사광가속기가 해답을 줬다. 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 구현해 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 추적할 수 있는 거대 현미경 역할을 한다.</p> <p contents-hash="44d44952213c3c16c1b129066d1041e1ff40d440a30e84efe5cd157473e8e43b" dmcf-pid="0v4e9vnQ0Z" dmcf-ptype="general">물 연구 서사의 대단원인 이번 연구에서는 물이 두 가지 액체 상에서 하나의 액체 상으로 변하는 액체-액체 임계점의 존재가 처음으로 증명됐다.</p> <p contents-hash="83640db06d69a806546dc24c84b9008bfe9a37a3a59bd77e83acef64c44930ec" dmcf-pid="pT8d2TLx7X" dmcf-ptype="general">영하 50~70℃ 사이 과냉각수의 성질을 측정한 결과 영하 약 60℃ 이하에서는 물이 두 가지 액체 상으로 존재하고 그보다 높은 온도에서는 상의 구분이 사라진다는 사실이 발견됐다. 오차는 아직 ±8℃로 넓어 후속 연구에서 줄여 나갈 계획이다.</p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="cee1ea19d418d16bae240d432b67f0fa3300a9ee31e4d8d8fbba9231c8a53f2b" dmcf-pid="Uy6JVyoMzH" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="온도에 따른 물의 밀도를 그린 그래프. 물은 높은 온도에서는 고밀도 물로, 낮은 온도에서는 저밀도 물로 더 많이 존재한다. 4도 근방에서 저밀도 물의 비율이 급격히 증가하기 때문에 온도가 낮아질 때 물의 전체 밀도가 감소하는 현상이 생긴다. 김경환 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202603/27/dongascience/20260327095805667lfef.png" data-org-width="680" dmcf-mid="68FqZj9Uz9" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202603/27/dongascience/20260327095805667lfef.png" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 온도에 따른 물의 밀도를 그린 그래프. 물은 높은 온도에서는 고밀도 물로, 낮은 온도에서는 저밀도 물로 더 많이 존재한다. 4도 근방에서 저밀도 물의 비율이 급격히 증가하기 때문에 온도가 낮아질 때 물의 전체 밀도가 감소하는 현상이 생긴다. 김경환 교수 제공 </figcaption> </figure> <p contents-hash="ff5cae1fb033000e9aa94f7e71cc00d314917385380b4df88d43ce4538d4560d" dmcf-pid="uWPifWgR3G" dmcf-ptype="general">물이 4℃에서 가장 무거운 이유도 명확해졌다. 일반적인 물질의 특성에 따라 온도가 낮아질수록 분자 간 거리가 가까워져 밀도가 높아지다가 4℃ 근방에서 저밀도 물의 비율이 급격히 증가하며 전체 밀도가 낮아지는 원리다.</p> <p contents-hash="a3dd8548a99841f9716d820aa6a41be0fb1f8eff5f679653ba902f75b90cae62" dmcf-pid="7YQn4YaeuY" dmcf-ptype="general">김 교수는 "물을 둘러싼 오랜 학계 논쟁에 마침표를 찍을 수 있는 성과"라며 "주요 자연 현상에서 물의 역할을 정확히 규명하는 출발점이 될 것"이라고 밝혔다. 생명과학, 기후변화, 화학 등 수없이 많은 분야가 물의 특성에 좌우된다. 물의 특이한 성질의 근원을 이해하면 관련 연구의 정확도도 크게 향상될 것으로 기대된다.</p> <p contents-hash="0ce5af786ea6e9395d463be79d367c3cc7b263ebd63d04f392bea41396d1fa93" dmcf-pid="zGxL8GNd7W" dmcf-ptype="general"><strong>● "교과서 남을 발견 하겠다" 꿈 이룬 학생</strong></p> <p contents-hash="37009eb639ce5c05a63220b90f85c288b63ecf6da84d90adae3072ab92f36cf1" dmcf-pid="qiG3Tiu5Fy" dmcf-ptype="general">이번 연구는 또 다른 유망 과학자의 탄생 순간으로도 평가된다. 연구의 제1저자인 유선주 포스텍 화학과 석박통합과정생은 2020년 사이언스 발표 논문에도 공동 저자로 참여한 바 있다. 유 씨는 당시 인터뷰에서 "과학자라는 꿈을 꾸면서 교과서에 남을 만한 자연법칙을 발견하고 싶다는 마음으로 대학에 진학했다"고 밝혔다.</p> <p contents-hash="2bb23d19c2c03486f15df72532ea2009c2b340e3cc2b822b492e5639ec9c4e07" dmcf-pid="BnH0yn713T" dmcf-ptype="general">유 씨는 연구성과 발표 브리핑에서 "아무도 하지 못한 부분을 처음으로 연구한 것이기 때문에 참고할 연구도 없고 과정에 어려움도 많았다"며 "그럼에도 불구하고 인터뷰 이후 7년 만에 진짜로 교과서에 실리는 발견을 해낼 수 있어서 정말 기쁘다"라고 소감을 밝혔다. 이어 "앞으로도 교과서에 실릴 만한 연구들을 하고 싶다"고 전했다.<br><br> <참고 자료><br> - doi.org/10.1126/science.aec0018</p> <p contents-hash="47c23c621070095ccfafda26096bf984ee9e3bec1dbadabfc277ec45b8bb6b47" dmcf-pid="bLXpWLztpv" dmcf-ptype="general">[이병구 기자 2bottle9@donga.com]</p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 동아사이언스. 무단전재 및 재배포 금지.</p> 관련자료 이전 반려견, 1만4200년 전부터 인간 곁에 살았다 03-27 다음 HSAD “마케터가 AI 에이전트 설계하고 운영하는 시대 온다” 03-27 댓글 0 등록된 댓글이 없습니다. 로그인한 회원만 댓글 등록이 가능합니다.
