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- 물은 66가지의 이상 현상을 보이며, 여기에는 밀도 이상 현상, 물 분자의 자가분해, 그리고 거의 20가지가 넘는 다양한 얼음 구조가 포함
- 초임계 물. 이는 물이 221bar의 고압에서 374도 이상으로 가열될 때 생성
- 수증기를 생성하지 않고, 액체와 기체의 특성을 모두 지닌 상태를 생성

초임계 물의 미스터리가 풀렸다
테라헤르츠 분광법은 고압 및 고온에서 물의 구조에 대한 가정을 반박한다.

새로운 분석을 통해 초임계 물의 구조가 명확해졌다. 예상과 달리 물은 높은 압력과 열, 예를 들어 뜨거운 심해나 열수 분출구에서 이러한 이국적인 상태를 띈다. 그러나 물 분자가 여전히 수소 결합으로 연결되어 있는지는 지금까지 논란의 여지가 있다. 테라헤르츠 분석은 이제 연구자들이 "Science Advances"에 보고한 대로 기존의 일반적 가정을 반박한다.

▲ 물의 상평형도는 221bar(22.1MPa), 374℃(647Kelvin)에서 초임계 상태로의 전이를 보여준다. (참고: Eis 얼음, Wasser 물 Kritischer Punkt 임계점 Schmelzpunkt 용융점 Siedepunkt 비등점 Tripelpunkt삼중점 Dampf 수증기 © Cmglee/ CC-by-sa 3.0

화학적, 물리적 관점에서 볼 때, 물은 결코 평범한 물질이 아니다. 물은 66가지의 이상 현상을 보이며, 그중 다수는 독특하다. 여기에는 밀도 이상 현상, 물 분자의 자가분해, 그리고 거의 20가지가 넘는 다양한 얼음 구조가 포함된다. 액체 상태의 물의 구조조차 오랫동안 밝혀지지 않았다. 2009년이 되어서야 X선 분석을 통해 그 안의 H2O 분자가 수소 결합으로 연결된 작은 분자 클러스터인 '덩어리'를 형성한다는 사실이 밝혀졌다.

매우 뜨겁고 아직도 가스가 없다

지금까지 수수께끼로 남아 있는 물의 상태가 하나 있다. 바로 초임계 물이다. 이는 물이 221bar의 고압에서 374도 이상으로 가열될 때 생성된다. 이는 수증기를 생성하지 않고, 액체와 기체의 특성을 모두 지닌 상태를 생성한다. 예를 들어, 초임계수는 심해의 일부 열수 분출구와 지구 지각의 더 깊은 층에 존재한다. 특히 뜨거운 지열 심층수와 활화산의 지하수도 초임계 상태가 될 수 있다.

▲ 차가운 액체와 따뜻한 액체(파란색, 주황색) 및 초임계(보라색)와 기체(올리브색) 물의 테라헤르츠 스펙트럼을 비교한 것이다. © Mauelshagen et al./Science Advances, CC-by-nc 4.0

이 이국적인 상태의 물은 특히 에너지가 풍부하기 때문에 기존 지열원보다 훨씬 더 높은 전기 생산량을 제공할 수 있다. "초임계수는 환경친화적이고 동시에 공격적인 반응 조건을 제공하기 때문에 특별한 특성 때문에 화학 반응의 용매로도 흥미롭다"고 공동 저자인 루르 대학교 보훔(RUB)의 도미니크 마르크스(Dominik Marx)가 설명했다.

클러스터 또는 론너?

문제는 초임계 물을 활용 가능하게 만들려면 그 구조를 알아야 한다는 것이다. 지금까지는 그런 구조가 없었다. RUB 팀은 "초임계수에 있는 H2O 분자가 여전히 수소 결합을 통해 연결되어 있는지, 그리고 초임계 상태로 가는 과정에서 어떻게 상호 작용하는지에 대한 의문은 논란이 되고 있다"고 설명했다. 물 분자는 쌍을 형성할 수도 있고, 강하게 변형된 결합을 가질 수도 있고, 클러스터로 계속 존재할 수도 있다.

이 질문을 명확히 하기 위해 카티아 마우엘샤겐과 그녀의 팀은 테라헤르츠 분광법을 사용했다. 이러한 분석법은 기존의 X선이나 레이저 분광법보다 더 긴 파장을 사용하므로 분자 간의 결합을 감지할 수 있다. 연구팀은 실험을 위해 액체 상태의 물을 특수한 고압 측정 셀에 채우고 샘플을 최대 400도의 온도와 최대 240bar의 압력에 점차적으로 노출시켰다.

▲ 실험적으로 접근한 온도 및 밀도 범위 개요. 각 데이터 포인트는 단일 측정값을 나타낸다. 다음 색상 코드가 적용되었다. 파란색(주변 온도에서 끓는 온도까지의 액체 물), 주황색(고온 영역의 액체 물), 녹색(고온의 기체 물), 보라색(SCW). 측정에는 100°C에서 400°C 사이의 온도 범위와 0.1kg/리터에서 1.1kg/리터 사이의 밀도의 물에 대한 AIMD가 수반(검은색 열린 원). 실험적 액체-기체 공존 곡선의 맨 위에 있는 회색 원은 임계점을 나타낸다. 도식적 삽도는 재료 및 방법에 자세히 설명된 대로 초임계 THz 셀의 설계를 보여준다. (출처:관련논문 Random encounters dominate water-water interactions at supercritical conditions / Science Advances / 14 Mar 2025 / Vol 11, Issue 11)

3단계로 구조적 변화

테라헤르츠 분석 결과, 수소 결합의 진동으로 생성된 스펙트럼이 3단계로 변한다는 것이 밝혀졌다. 첫 번째는 끓는점 이하의 액체 물의 전형적인 "덩어리"로 인해 발생한다. 스펙트럼 특징은 개별 H2O 분자의 움직임이 수소 결합에 의해 방해를 받는다는 것을 나타낸다. 더 가열하면 이러한 결합 중 일부가 끊어진다(두 번째 단계).

초임계 상태의 한계점에 도달하면 스펙트럼의 세 번째 변화가 발생한다. "우리는 테라헤르츠 흡수 진폭의 급격한 감소를 감지했다"고 Mauelshagen과 그녀의 팀은 보고했다. 초임계 물의 스펙트럼은 이제 매우 뜨거운 증기의 스펙트럼과 거의 동일하다. 놀라운 발견이다. 연구자들은 "이제 두 스펙트럼을 거의 구별할 수 없을 정도"라고 말했다.

매우 단명한 연관성만

그러면 이것은 초임계 물의 구조에 어떤 의미를 갖는가? 기체 상태의 물(매우 뜨거운 수증기)에서는 물 분자가 더 뭉쳐 있지 않고 개별적으로 자유롭게 움직이는 것으로 알려져 있다. 초임계 물의 상황도 비슷한데, 이는 추가 시뮬레이션에서 밝혀졌다. 높은 압력이 H2O 분자를 서로 단단히 누르지만, 회전과 끊임없는 충돌로 인해 서로 내구성 있는 수소 결합을 형성할 수 없다.

RUB의 공동 저자인 게르하르트 슈바브는 "그래서 초임계수에는 분자 클러스터가 없다"고 말했다. 그 대신 초임계 상태에서는 물 분자가 일시적으로 쌍을 이루어 뭉쳐 있을 뿐이다. RUB 연구원인 필립 쉬엔바인은 "이 상태의 결합은 수명이 매우 짧다. 액체 물속의 수소 결합 수명보다 100배나 짧다"고 설명했다. 수소 결합과는 달리, 이 단명 결합은 고정된 방향을 갖지 않고, 때로는 한 방향으로 회전하다가 다른 방향으로 회전한다.

▲ 설계된 SCW 셀의 도식 및 단면도. (A) 도식. (B) 단면도. 개별 부품은 다음과 같이 레이블이 지정된다. 1, 티타늄 셀 본체; 2, 스테인리스 스틸 베이스; 3, 타입-N 열 소자; 4, 금 씰; 5, 관통 구멍이 있는 CVD 다이아몬드 윈도우; 6, 금 스페이서; 7, CVD 다이아몬드 윈도우; 8, 금 스페이서; 9, 가열 코일; 10, 스테인리스 스틸 동심 스페이서; 11, 스프링 와셔; 12, 스프링 와셔 하우징; 13, 스테인리스 스틸 잠금 캡.

액체도 아니고 완전한 기체도 아니다

따라서 이 분석은 초임계 물의 구조에 대한 여러 가지 일반적인 가정을 반박한다. 이 경우에는 차가운 수증기처럼 선형으로 수소 결합으로 연결된 분자 클러스터도 없고 H2O 분자 쌍도 없다. 그에 반해 초임계수는 매우 뜨거운 기체상태의 물과 더 비슷하다. 그러나 그 분자들은 완전히 분리되어 있지 않고, 적어도 수명이 짧은 쌍을 형성한다. 초임계 물은 분자 배열에서 액체나 기체 상태와 다르며 구조적으로도 독특하고 이국적인 상태다.
(Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adp8614)
출처: Ruhr-Universität Bochum, Science Advances, Science Advances

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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