스마트이미지 제공과학기술정보통신부는 27일 포항공과대학교 김경환 교수 연구팀이 물의 '액체-액체 임계점'을 세계 최초로 관측했다고 밝혔다.
이번 연구는 스웨덴 스톡홀름대학교와 공동으로 진행됐으며, 성과는 국제 학술지 사이언스(Science)에 게재됐다.
물은 생명과 지구 환경, 화학 반응 등 자연과학 전반에서 핵심적인 물질이지만, 다른 액체와 달리 4℃에서 가장 무거워지는 등 특이한 성질의 원인은 오랫동안 밝혀지지 않은 난제로 남아 있었다.
학계는 물이 고밀도와 저밀도 두 가지 액체 상태로 존재하고, 특정 온도에서 그 경계가 사라지는 '액체-액체 임계점'이 있을 것으로 추정해왔다.
그러나 영하 40℃ 이하에서 물이 급격히 얼어붙는 특성 때문에 해당 영역은 '실험 불가능 구간'으로 여겨지며 수십 년간 논쟁이 이어졌다.
연구팀은 포항 4세대 방사광 가속기의 X선 자유전자레이저(XFEL)를 활용해 이 한계를 돌파했다. 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 이용해 극초단 시간 단위로 물 분자의 구조를 측정하는 방식이다.
이를 통해 영하 70℃에서도 얼지 않은 상태의 물을 만들고, 온도 변화에 따른 구조 변화를 추적한 결과 영하 60℃ 부근에서 두 종류의 액체 상태가 하나로 합쳐지는 임계점을 직접 확인했다.
연구팀은 이미 2017년과 2020년 연구를 통해 과냉각 상태의 물을 각각 영하 45℃, 영하 70℃까지 관측하는 데 성공한 바 있으며, 이번 연구는 그 연장선에서 임계점 존재를 실험적으로 입증한 결정적 성과다.
이번 발견은 물의 특이한 성질이 두 액체 상태 간 경쟁에서 비롯된다는 근거를 제시했다는 점에서 의미가 크다. 동시에 물의 상태 방정식을 보다 정밀하게 구축할 수 있는 기반을 마련했다.
이에 따라 기후 변화 예측, 생체분자 연구, 화학 반응 메커니즘 분석 등 물의 성질에 의존하는 다양한 분야에서 연구 정확도가 크게 향상될 것으로 기대된다.
김경환 교수는 "오랜 기간 이어진 학계 논쟁이 이번 연구로 매듭지어졌다"며 "물의 근본적 성질과 생명 현상을 이해하는 중요한 출발점이 될 것"이라고 말했다.
과기부 관계자는 "기초연구 지원을 통해 세계적 수준의 연구 성과가 지속적으로 창출될 수 있도록 지원을 강화하겠다"고 밝혔다.