한겨울 물 속 생명 존재 원리 '임계점' 세계 첫 관측

포항공대 김경환 교수 연구팀 성과, 사이언스誌 논문 게재

[파이낸셜뉴스] 한겨울에도 물에서 생명이 존재할 수 있는 근본적인 원리가 실험을 통해 세계 처음으로 관측됐다. 향후 물을 활용한 산업이나 연구 현장의 정확도를 높일 것이라는 기대다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교(POSTECH) 김경환 교수 연구팀이 스웨덴 스톡홀름대학교 물리학과 앤더스 닐슨 교수팀과 공동으로 물의 ‘액체-액체 임계점’을 세계 최초로 관측했다고 27일 밝혔다.

‘액체-액체 임계점’은 물이 무거운 고밀도 물과 가벼운 저밀도 물이라는 두 종류의 액체상으로 공존하며, 특정 온도(임계점)에 도달하면 그 구분이 사라져 우리가 일상에서 보는 물이 된다는 가정이다.

연구팀에 따르면 물은 겨울에도 강이나 호수의 표면만 얼고 아래쪽에는 액체 상태로 남아 그 속에서 생명이 유지될 수 있다. 일반적인 액체는 얼기 직전까지 온도가 낮아질수록 무거워지지만, 물은 4℃에서 가장 무거워졌다가 그보다 차가워지면 오히려 가벼워지는 특징을 보이기 때문이다. 하지만 왜 물이 다른 액체와 다르게 이러한 특징을 가지는지 근본적인 이유는 과학계의 오랜 숙제였다. 과학자들은 이에 대한 해답 중 하나로 ‘액체-액체 임계점’ 가설을 제시했다.

연구팀은 실험을 통해 ‘액체-액체 임계점’이 영하 60℃ 부근에 있다는 사실을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다. 이는 그동안 불가능하다고 여겨졌던 실험이다. 영하 70℃에서도 얼지 않은 물을 만들기 위해 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내며 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 측정할 수 있는 ‘X선 자유전자레이저(PAL-XFEL)’를 활용해 얻은 결과다.

김 교수는 "그동안 컴퓨터를 통한 가상 환경에서 측정했던 임계점을 실제 실험을 통해 관측한 유일한 연구로, 보다 정확한 물의 특성을 이해하게 됐다"며 "과거 경험적 이해에서 근본적인 이해를 하게 된 이번 연구를 통해 산업이나 연구 현장에서 물을 활용할 때 더 정확도를 향상시킬 것으로 기대한다"고 밝혔다.

연구팀은 앞서 2017년 영하 45℃까지 얼지 않은 물을 세계 최초로 관측했으며, 2020년에는 영하 70℃까지 관측 범위를 넓혀 사이언스지에 두 차례 성과를 게재했다.

이번 연구 결과는 연구팀의 10년에 걸친 끈질긴 연구로 얻어졌다. 과기정통부 ‘기초연구사업(우수신진연구 및 선도연구센터)’과 삼성 ‘미래기술육성사업’으로 수행했으며, 세계 최고 권위의 학술지인 '사이언스(Science)'에 27일(현지시간 26일) 게재됐다.

김 교수는 “물의 특별한 성질과 ‘액체-액체 임계점’을 둘러싼 오랜 세월 동안의 학계 논쟁이 마침내 매듭지어지게 됐다"며, “이번 발견은 생명 현상을 비롯해 다양한 자연 현상에서 물이 갖는 필수적인 역할을 규명하는 출발점이 될 것이며, 앞으로 연구 정확도를 더 높이면서 물의 생명 현상에서의 중요한 역할을 규명하고자 한다”고 말했다.

[e-mail] 연지안 기자