3분 읽기
- 나노초 펄스 사용하는 적외선 레이저로 두 가지 밀도 변형체의 비정질 얼음 빠르게 가열
- 동시에 X선 레이저로 물 분자의 구조와 배열 관찰
- 영하 63도, 약 1천 기압의 압력에서 극저온수의 두 가지 밀도 변이체가 서로 합쳐져
- 임계점의 위치는 열역학 모델 시뮬레이션 및 이전 실험 결과와 잘 일치

물에 더 낮은 임계점이 존재할까?
영하 63도에서 두 가지 밀도 변이체의 전이 현상 발견

물리학자들이 과냉각수에서 이전에 알려지지 않았던 전이 단계, 즉 또 다른 임계점을 발견했다. 영하 63도, 약 1천 기압의 압력에서 극저온수의 두 가지 밀도 변이체가 서로 합쳐진다. 이 전이는 밀도 변동을 일으키며, 영하 4도에서의 밀도 이상 현상을 비롯한 물의 특이한 성질들을 설명할 수 있을 것으로 보인다고 연구팀은 학술지 "사이언스"에 발표했다. 

▲ 레이저 펄스를 이용한 실험 결과, 영하 63도의 고압 조건에서 물이 임계점을 통과하면서 분자의 배열과 밀도가 변화하는 것으로 나타났다. © POSTECH

물은 지구상에 거의 모든 곳에 존재하지만, 여전히 수수께끼 같은 존재다. 생명의 근원인 이 물의 특이한 성질 중 많은 부분이 아직 설명되지 않았다. 여기에는 물의 자기 해리, 높은 비열, 액체 상태의 물에서 나타나는 "덩어리진" 분자 분포, 엄청나게 다양한 결정 형태, 그리고 밀도 이상 현상이 포함된다. 물 분자는 섭씨 4도에서 밀도가 최대가 되고, 얼면 다시 팽창하는 특이한 성질을 보인다. 이는 액체로서는 매우 이례적인 현상이다.

하지만 이러한 밀도 이상 현상의 원인은 무엇일까? 연구자들은 수십 년 동안 이 문제를 연구해 왔다. 2016년에는 수소 결합 외에도 반 데르 발스 힘이 물 분자의 밀도와 배열에 영향을 미친다는 연구 결과가 발표됐다. 2017년에는 액체 상태의 물에서 두 가지 밀도 변이체가 존재한다는 증거가 제시됐다. 그러나 비정질 얼음에서 이미 알려진 이 변이체들이 액체 상태에서도 실제로 존재하는지는 논란의 여지가 있다.

과냉각된 물에는 임계점이 존재할까?

한국 포스텍(POSTEC)의 유선주 연구팀은 밀도 변이체에 대한 추가적인 증거를 찾기 위해 새로운 접근 방식을 시도했다. 액체 상태의 물에 두 가지 밀도 변이체가 존재한다면, 이 두 변이체가 서로 융합되어 구별할 수 없게 되는 조건, 즉 임계점이 존재해야 한다는 것이다.

"하지만 두 액체 변형체의 임계점을 실험적으로 직접 관찰하는 것은 매우 어려운 일이다"고 연구진은 설명했다. 만약 그 임계점이 존재한다면, 그것은 매우 낮은 온도와 높은 압력, 즉 물의 상평형 그림에서 일반적으로 수 마이크로초 내에 얼어붙는 지점에 있어야 하기 때문이다.

210 켈빈에서의 전이

그러나 초고속 펄스 레이저와 X선 레이저는 이제 이러한 하한 임계점을 찾는 데 필요한 기술적 조건을 갖추었다. 유 교수 연구팀은 나노초 펄스를 사용하는 적외선 레이저로 두 가지 밀도 변형체의 비정질 얼음을 빠르게 가열하는 동시에 X선 레이저로 물 분자의 구조와 배열을 관찰했다.

연구팀은 실제로 원하던 것을 발견했다. 약 210 켈빈(섭씨 약 -63도)의 온도와 약 1천기압의 압력에서, 각각 연구된 두 가지 밀도 변형체의 특성이 변화하기 시작했다. 밀도 변동이 점점 더 두드러지면서 두 변형체가 수렴하는 현상이 나타났다. "두 밀도 샘플 모두 감압 과정에서 이 지점에서 유사한 밀도 변동 양상을 보였다"라고 유 교수와 동료 연구진은 밝혔다. "또한 열용량이 급격히 증가하는 것을 관찰했는데, 이는 이 지점에서 임계 발산과 밀도 변동의 증가를 시사한다.“

임계점의 증거

연구팀에 따르면, 이러한 측정 결과는 과냉각수가 약 210켈빈의 온도와 1천 기압이 조금 넘는 압력에서 임계점을 통과한다는 것을 시사한다. "수십 년 동안 물의 놀라운 특성을 설명하기 위한 다양한 추측과 이론들이 있었다. 그중 하나가 임계점의 존재였다"고 스톡홀름 대학교의 공동 저자 안데르스 닐손은 말했다. "이제 우리는 그러한 임계점이 실제로 존재할 수 있음을 발견했다.“

유 교수 연구팀이 확인한 임계점의 위치는 열역학 모델 시뮬레이션 및 이전 실험 결과와 잘 일치한다. 이는 관찰된 특징들이 이 임계점에서 비롯된다는 것을 시사한다고 연구팀은 결론지었다.

참고: Science, 2026; doi: 10.1126/science.aec0018)
출처: 스톡홀름 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]