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물분자를 XFEL사용 170도까지 초고속 가열.
증발하지 않고 느린 분자운동. 스톡스-아인스타인 방정식 모델과 다른 움직임 포착.

초고속으로 가열된 170도의 액체 물, 운동성은 전혀 다르다.
X-ray 레이저 ‘XFEL’로 초고속으로 가열된 물의 비정상적인 운동성 포착.

놀랍게도 느리다 :
X선 레이저 실험에서 밝혀진 바와 같이 극한 조건에서 물은 증발하지 않고 170도까지 가열될 수 있다. 물 분자는 적어도 약 100마이크로초 동안 액체 상태로 유지됐다. 물 분자의 움직임은 예상되는 분자 운동에서 벗어난다. 이론적으로 아직 이러한 극한 상태를 설명할 수 없다.

▲ X선 레이저를 쐈을 때 물은 예상과 다르게 행동한다. 처음에는 액체 상태로 유지되고 변칙적인 운동성을 보여준다. © DESY / Britta Liebaug

물은 ‘일상적인 분자’이지만 특이하다.
똑같은 많은 특성을 갖고 있지만 그중에는 낮은 온도에도 밀도 이상, 자기 해리, 그리고 액체로 머물고 있는 몇 가지 특성이 있기 때문이다. 특정 조건에서 물 분자는 쌍극자 모멘트를 잃어 전기적으로 ‘죽은’물이 될 수도 있다. 물이 실제로 두 가지 액체로 구성되어 있다는 증거도 있다.

엑스레이로 고속 가열 후 물관찰

독일 전자 싱크로트론(DESY)의 펠릭스 렘퀼러(Felix Lehmkühler)와 함께 일하는 연구원들은 최근 또 다른 특이성을 발견했다. 실험을 위해 그들은 함부르크에 있는 ‘European XFEL(X-Ray Free-Electron Laser,아래 사진)’의 초고속 X선 펄스로 석영 유리 튜브에 담긴 소량의 물을 투사했다. 이 X선 레이저는 초당 최대 2만 7천 개의 초단파 X선 플래시를 생성 할 수 있다.

▲ 유럽 ​​XFEL은 함부르크와 쉐네펠트(Schenefeld)에 위치한 국제 X-선 레이저 연구 시설, 12 개국이 참여하고 있다. DESY 연구 센터 및 기타 국제 파트너와 긴밀히 협력하고 있다. XFEL은 X-Ray Free-Electron Laser, 즉 X-ray가 있는 자유 전자 레이저를 의미한다. 이 시스템에서는 X-ray 플래시를 사용하여 분자, 세포, 바이러스 및 화학 반응에 대한 3 차원 세부 이미지가 가능하다.

Lehmkühler는 "X선 레이저에서 물을 얼마나 오래 얼마나 오래 가열할 수 있는지, 물처럼 작동하는지 여부에 의문을 가졌다"고 설명했다.
샘플이 즉시 증발할까?
얼마나 고르게 가열될까?
분자는 어떻게 움직일까?
이를 알아내기 위해 과학자들은 백만 분의 1초 미만의 간격으로 X선 펄스를 사용했다.
일련의 스냅 샷처럼 초고속 변화도 캡처할 수 있게 됐다.

170도 뜨겁게 가열, 증발하지 않음

놀라운 결과 :
"X선 플래시를 사용해 물이 증발하지 않고 1만분의 1초 내에 최대 172도까지 물을 가열할 수 있었다"고 Lehmkühler는 보고했다.
물 분자의 움직임과 배열은 수증기의 움직임과 일치하는 것이 아니라 액체 물의 움직임과 일치했다. “이것은 샘플이 적어도 100마이크로초 동안 액체 상태에 있었다는 것을 나타낸다”고 연구원들은 말했다.

증발이 없는 이러한 과열을 지연 비등이라고도 한다.
외부로부터의 압력이 물에 형성되는 기포의 압력보다 클 때 발생한다.
물의 경우 최대 약 110도의 비등 지연이 이전에 알려져 있었다.
X선 레이저 실험은 극한 조건에서 물이 최대 170도까지 액체 상태를 유지할 수 있음을 보여준다.

이론적 모델과의 편차

Lehmkühler는 "이것이 유일한 특별한 내용은 아니다"고 강조한다.
물 샘플에서 이산화규소-나노스피어(nanosphere)를 사용한 추가 테스트에서도 가열 시 비정상적인 운동성이 나타났다. “극도로 과열된 물에서 이산화규소-나노스피어의 움직임은 예상되는 임의의 브라운 분자 움직임과 크게 다르다는 것을 관찰했다”고 물리학자는 보고했다.

물 분자는 확산을 위한 *스톡스-아인슈타인(Stokes-Einstein) 방정식의 형태에서 기술하는 모델과 다르게 움직였다.
"이것은 샘플의 고르지 않은 가열을 나타낸다"고 Lehmkühler는 말했다.
그러나 물이 어떻게 작용하는지는 기존 이론적 모델로는 아직 설명할 수 없다.

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[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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