韓연구진 “가벼운 물, 무거운 물 존재한다” 입증…‘물 비밀’ 논쟁 마침표 찍나

연구성과 관련 이미지/사진=포스텍

영하 20도 한파 속에 강 표면은 얼어붙어도 강물이 모두 얼지 않아 물고기가 겨울을 날 수 있는 것처럼 물은 다른 액체와 구분되는 여러 변칙적 특성을 가지고 있다. 냉각 조건에선 물이 무거운 물과 가벼운 물 구조로 이뤄진다는 가설이 나와 있고, 학회에선 오랜 기간 논쟁이 이어지고 있다. 이런 ‘물의 비밀’을 입증할만한 연구성과가 최근 국내 연구진 주도로 이뤄진 실험에서 나왔다.

포항공과대 화학과 김경환 교수팀, 스웨덴 스톡홀름대 앤더스 닐슨 교수팀으로 이뤄진 국제공동연구팀이 영하 70℃의 얼지 않은 무거운 물을 만들고, 이 물이 가벼운 물로 바뀌는 과정을 관측하는 데 성공했다고 22일 밝혔다. 이번 결과는 물이 원래 무거운 물과 가벼운 물로 이뤄져 있다는 이론의 직접적 증거가 돼 학계의 비상한 관심을 받는다.

물의 성질에 대한 다양한 가설 중, ‘액체-액체 임계점’ 가설은 극도로 냉각된 조건 아래에서는 물이 무거운 물과 가벼운 물로 나뉘며 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 국제학술지를 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 이런 조건을 갖추어 ‘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.


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

무엇보다 물이 왜 생명현상에 반드시 필요하고, 적합한 존재인가를 근원적으로 이해하는 중요 단서로 학계는 평가하고 있다.

김경환 포항공대 교수는 “이번 연구성과는 물의 비밀에 도전해온 세계 연구자들의 오랜 논쟁을 해소해 줄 중요한 연구결과”라며 “물이 가진 변칙적인 특성을 이해해 물과 생명의 미스테리를 푸는 단초가 될 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스’에 게재됐다.