<조종영 과학기술정보통신부 기초연구진흥과장> 안녕하십니까? 기초연구진흥과장 조종영입니다.
오늘 브리핑할 내용은 3월 27일 오전 3시, 미국 동부 시간 3월 26일 14시입니다. 사이언스지에 게재되는 포항공과대학교 김경환 교수님의 연구 성과입니다.
물은 일상생활에 필수적이고 우리가 쉽게 접하는 물질이지만 물이 가진 특성을 제대로 이해를 하고 여기에 대한 어떤 여러 가지 원인이 수백 년간 밝혀지지 않았습니다. 그리고 학계에서도 오랫동안 이 숙제를 풀지 못했습니다.
김경환 교수님은 10년에 걸쳐 물의 미스터리를 추적하면서 2017년과 2020년에 사이언스지에 관련 성과를 두 차례나 발표하신 바 있습니다.
이번 성과는 실험을 통해 학계의 가설 중 하나인 물의 '액체-액체 임계점'의 존재를 영하 60℃ 부근에서 세계 최초로 관측해 냈으며, 이를 통해 물의 특성을 규명하는 데 지대한 영향을 줄 것으로 기대하고 있습니다.
기초연구는 과학기술 발전의 근간이며, 장기간에 걸쳐 다양한 분야에 응용되고 새로운 산업 창출과 삶의 질 향상에 기여하고 있습니다. 하지만 가시적 성과 측정이 어렵고 결과가 나오는 데 오랜 시간이 필요해서 지속적이고 장기적인 지원이 필수적입니다.
오늘 발표할 연구 성과 또한 김경환 교수님께서 2019년부터 9년째 과기정통부 우수신진연구와 선도연구센터 지원을 받아 장기간 연구한 끝에 달성한 성과입니다.
과기정통부는 박사후연구원 등 신진연구자부터 리더급 연구자까지 안정적으로 연구에 몰입하고 세계적 연구 성과를 창출할 수 있도록 단계적으로 맞춤 지원해 나가겠습니다.
연구 업적 및 성과에 대한 자세한 내용은 김경환 교수님께서 설명해 주시겠습니다. 아울러, 오늘 이 자리에는 이 논문의 제1저자인 유선주 박사과정생도 함께 참석하였습니다. 김경환 교수님 모시겠습니다. 감사합니다.
<김경환 포항공과대학교 화학과 교수>
안녕하십니까? 소개받은 포항공과대학교 화학과 김경환입니다.
이번 연구 성과에 대해서 간략히 발표드리도록 하겠습니다.
방금 소개해 주신 것처럼 물은 우리가 주위에서 보는 가장 흔한 물질 중 하나입니다. 여기도 제가 이렇게 방금 마시는 것처럼 누구나 쉽게 접근할 수 있는 그런 가장 흔한 물질 중 하나인데, 동시에 물은 생명 현상 등에 필수적인 가장 중요한 물질이기도 합니다.
물이 얼마나 중요한가에 대해서는 여러분들 모두가 다 잘 알고 계실 테지만 한 가지 대표적인 예만 말씀드리면 충분할 것 같습니다.
우리가 예를 들어서 어떤 우주 외계행성에서 어떤 생명체를 찾는 탐사를 한다고 했을 때 항상 나오는 얘기가 '물을 따라간다.', '물이 있는지를 확인한다.', 결국은 물이 있다는 것이 생명이 존재한다, 라는 것과 동의어로 사용될 정도로 물이 생명의 존재에 가장 중요한 물질이다, 라고 할 수가 있겠습니다.
이런 안정적인 기후 환경이라든지 굉장히 다양한, 제가 일일이 말씀드리기 어려울 정도의 중요한 역할들을 수행하고 있습니다. 그러면 이렇게 흔한 물질이면서 가장 중요한 물질이기도 하기 때문에 물은 우리가 가장 많이 연구하는 물질이기도 합니다. 가장 많이 연구하는 물질 중 하나이기도 합니다.
그렇다면 이렇게 많이 연구되었다고 하면 우리가 물에 대해서 모든 것을 다 이해하고 있을 것인가, 라고 질문해 볼 수 있을 텐데요. 사실은 그렇다고 생각하시는 분도 계실 수 있지만 굉장히 우리가 아직까지도 물에 대해서 설명하지 못하고 있는 것들이 굉장히 많습니다.
그 가장 큰 이유는 물이 가장 이상한 액체이기도 하기 때문입니다. 물은 다른 모든 액체와 구분되는 물만의 독특한, 다른 모든 액체는 어떤 일정한 경향성을 보이는 특성을 나타낸다고 하면 물은 그것과는 완전히 구분되는 매우 특이한 현상을 가지고 있습니다.
더 중요한 것은 이런 물의 특이한 현상이, 물이 이런 생명 현상 등에 가장 중요한 역할을 수행할 수 있는 그런 원인이 된다는 점이 되겠습니다.
이것도 하나의 예를 들어 볼 텐데요. 물은 우리가 강이나 호수에서 물이 겨울에 얼 때를 생각해 보시면 물은 위에서부터 업니다. 다른 일반적인 액체는 밑에서부터 얼어서 모두 다 얼어버리는 반면에 물은 위에서부터 얼고, 이것은 제가 2017년에 사이언스 논문을 냈을 때 SBS에서 리포트로 만들어 주신 것을 제가 허락을 받고 발표에 사용하고 있는데요.
그 덕분에 물이 위에서는 얼어도 겨울에 물 바닥에 남아 있는 액체, 여전히 얼어 있지 않은 강바닥에서 생명이 유지될 수 있는 이런 중요한 역할을 수행하게 됩니다.
물이 위에서부터 어는 이유는 여기 왼쪽에 보시면 아시다시피 물이 4℃에서 가장 무겁기 때문입니다. 이것은 다른 액체에서는 나타나지 않는 물의 아주 특이한 성질이고 이것이 이런 겨울에 생명이 유지될 수 있는 중요한 역할을 한다, 이렇게 예를 들어서 말씀드릴 수가 있겠습니다.
그렇다면 왜 물은 4℃에서 가장 높은 밀도를 가질까 하는 것이 과학자들을 오랜 세월 동안 괴롭혀 온 그런 핵심 질문이 되겠습니다. 물이 4℃에서 가장 높은 밀도를 가지는 것 등과 같이 다른 여러, 여기 복잡한 성질들이 있는데 다른 수많은 성질들 또한 다른 액체들과 구분되는 이런, typical liquid에서 벗어나는 이런 경향성을 보이게 됩니다.
이러한 특성, 특이한 성질들, 물이 왜 이런 특이한 성질들을 가질까, 거기에서 더 나아가서 이러한 특이한 성질들이 어떻게 이런 중요한 역할을 수행할 수 있게 도와주는 것일까 하는 것이 핵심적인 질문이 되겠고요.
사람들이, 과학자들이 그동안 이런 특성의 어떤 온도 경향성을 탐색해 봤을 때 이렇게 온도가 낮아질수록 일반적인 액체에서 더 크게 벗어나게 되는데 이것을 외삽해서 살펴보게 되면 -45℃ 근처에서 발산하는 온도 경향성을 보인다. 그래서 사람들이 영하 45℃ 이하의 물을 연구하면 이런 근원을 탐색할 수 있을 것이다, 근원을 규명할 수 있을 것이다, 이런 추측을 해왔었습니다.
그로부터 제시된 이론이 있습니다. 물이 왜 4℃에서 무거운가를 설명하기 위해서, 가장 무거운가를 설명하기 위해서 제시된 이론이 있는데 이 부분은 조금 어려울 수가 있지만 제가 최선을 다해서 설명드려 보도록 하겠습니다.
물이 우리가 일반적으로 보는 물은 하나의 상으로 존재하지만 사실은 물은 하나의 상으로 존재하는 물질이 아니고 물은 고밀도 물과 저밀도 물의 두 가지 액체상으로 존재하는 물질이다, 존재하는 액체다, 라는 가설이 되겠습니다. 실제로 매우 낮은 온도와 매우 높은 압력에서는 물이 두 가지 상으로 존재할 수 있다, 라고 하는 가설이 되겠고요.
사실 우리가 주위에서 관찰하는 상온·상압에서, 우리 일상생활에서 관찰하는 물은 하나의, 하나의 상으로, 상분리가 관측되지 않고 하나의 상으로 존재하기 때문에 그럼 왜 그러냐, 물이 원래 두 가지 상으로 존재할 수 있다고 하면 우리가 보는 물은 왜 한 가지 상으로 존재하느냐? 그것은 나와 있는, 물이 두 가지 상으로 존재하는 이 상의 분리가 '액체-액체 임계점'에서 끝나서 그 임계점 위에서는 이 상의 분리가 사라진 하나의 상으로 바뀌기 때문이다. 그래서 여러분들 들어보셨을 법한 초임계유체, 임계점을 넘어선 초임계 상태의 유체로 존재한다.
그래서 우리가 일상적으로 보는 물이 그냥 일반적인 액체가 아니라 사실은 임계점 위에 있는 초임계유체다. 그리고 이것이 초임계유체이기 때문에 이런 일반적인 액체와는 구분되는 다른 모든 특이한 성질들이 나타난다, 라는 이론이 되겠습니다.
그런데 이런 해석은 다른, 당연히 다른 어떤 물질에서도 관측된 바 없는 현상이고, 실제로 실험으로도 이 물에서 관측된 바 없는 현상입니다. 이 특이한 성질을 설명하기 위해서 제안된 이론이고, 이 이론이 맞으면 이 성질을 설명할 수 있긴 하지만 실험적인 증거가 없었기 때문에 이 이론을 반대하는 측과 학계에서 지난 수십 년간 극심한 논쟁이 이루어져 왔습니다.
이를 확인하기 위해서는 이 '액체-액체 임계점'이 실제로 존재하는가, 그리고 이것이 정말 물의 특이한 성질의 근원이 맞는가를 실험적으로 확인하는 것이 필요합니다.
이러한 실험적 검증을 위해서는 어떤 측정이 필요하냐 하면, 아까 말씀드린 영하 45℃의 근처에서 이런 비밀이 숨어 있을 거라고 말씀드렸잖아요, 사람들이 생각했다고. 영하 45℃ 이하의 얼지 않은 물에 대한 측정이 필요하게 됩니다.
그리고 실제로 이 정도 온도까지 더 내려가면 물이 정말로 2개의 상으로 분리돼서 2개의 상, 무거운 물, 가벼운 물로 2개의 상으로 존재하는가를 증명해야 하고, 마지막으로 이 임계점의 존재를 확인하기 위해서는 2개의 상으로 존재하다가 이 상의 분리가 사라지는 지점을 찾을 수 있는가를 실험적으로 찾아야만 합니다.
그런데 이런 실험적 검증은 그동안 불가능한 일로 여겨져 왔습니다. 왜냐하면, 영하 45℃ 이하의 얼지 않은 액체 상태의 물을 측정해서 이런 것들을 밝혀내야 하는데, 물은 저 정도까지 온도가 낮아지면 매우 빠르게 얼어붙기 때문입니다.
약간 한 영하 20℃ 정도까지의 물은 물을, 깨끗한 물을 조심히 얼리면, 얼리는 게 아니라 조심히 냉각하면 이렇게 과냉각 상태의 물을 만들 수 있는 것이 알려져 있습니다. 그래서 그 정도까지는 측정이 쉽게 가능한데, 영하 45℃가 되면 기존에 가능했던 그 어떠한 측정 방법, 가능한 측정 방법보다도 더 빠르게 얼어붙기 때문에 이러한 연구는 실험적으로 접근이 불가능한 영역이었고, 이름도 붙어 있습니다. 'No Man's Land'라고 '무인지대'라고 불리는 그런 측정 영역이었습니다. 그래서 오랫동안 불가능한 실험으로 여겨졌고, 그 때문에 학계에서 극심한 논쟁이 유지되어 왔습니다.
저희는 이런 불가능한 것으로 여겨졌던 측정에 10년간 뚝심 있게 도전해 왔습니다. 저희가 사용한 방법은 이런 영하 45℃보다 낮은 온도의 물을 만들 수 있는 새로운 어떤 혁신적인 실험 방법을 개발했고요. 이를 이렇게 만든 물을, 과냉각 상태의 물을 포항 4세대 방사광가속기를 이용해서 측정하는 전략을 사용했습니다.
이런 실험 방법을 통해서 액체의, 과냉각 액체 물을 만들었는데 실험 방법은 자세히 설명드리지는 않겠습니다. 어쨌든 이런 방법을 개발해서 저희는 영하 70℃까지도 얼지 않은 물을 생성할 수 있는 실험 방법을 고안해서 구현했습니다.
하지만 이런 새로운 방법을 통해서도 우리가 만들 수 있는 영하 70℃까지의 얼지 않은 물은 10억분의 1g의 극소량만 만들 수 있습니다. 그리고 이마저도 약 100만분의 1초 안에 얼어붙는, 매우 빠르게 얼어붙는, 속도가 매우 빠르기 때문에, 이 온도에서는 100만분의 1초 안에 얼어붙는 그런 종류의 샘플만을 만들 수가 있었습니다.
그래서 이 상태, 매우 조금 생기고 매우 빠르게 얼어붙는, 매우 잠깐, 찰나의 순간만 존재하는 이 물을 연구하기 위해서 저희는 포항 4세대 방사광가속기의 강력한 X선을 사용해서 연구했습니다.
포항 4세대 가속기는 태양보다 수십억 배 밝은 빛을 내고, 이 빛을 통해서 10조분의 1초 단위로 분자의 움직임을 추적할 수 있는 거대 현미경 같은 시설입니다. 그래서 이 덕분에 이런 새로운 측정 방법을 이용해서 저희는 영하 70℃까지 얼지 않은 물의 구조를 자세히 측정할 수가 있었습니다.
조금만 벗어나서 X선 자유전자레이저에 대해서 조금만 더 말씀을 드리면, 전 세계에 이 4세대 방사광가속기 시설은 총, 현재 총 5개밖에 없습니다. 주로 선진국에서, 과학연구 선진국이라고 불리는 나라에서 이 시설을 운용하고 있고요. 한국에서는 2017년 6월부터 가동을 시작해서 전 세계 세 번째로 건설해서 가동을 하고 있습니다. 그래서 이런 인프라, 환경의 이런 걸 갖춰 주신 덕분에 많은 도움을 받아서 연구를 할 수가 있었습니다.
이 X선 자유전자레이저 시설은 굉장히 건설비가 많이 들고 돈이 많이 드는 시설인데 그래서 가성비로 치면 좋다고 할 수 없는 시설이지만 이 시설에서만 연구할 수 있는, 다른 방법으로는 연구할 수 없는 이러한 불가능한 도전적인 연구를 수행할 수 있다, 라고 말씀드리겠습니다. 현재 이 실험 기회가 한정돼 있다 보니까 굉장히 높은 경쟁에 처해 있는데 이 시설 증설을 도와주시면 관련 많은 연구를 더 학계에서 잘할 수 있을 것으로 생각됩니다.
저는 이 포항 4세대 방사광가속기, 2017년 6월에 가동을 시작했다고 했는데 제가 이때 첫 번째 실험자로 선정이 돼서 역사적인 첫 번째 실험을 제가 수행을 했었습니다. 이때 대구MBC에서 이 리포트 작성해 주셔서 이것도 제 발표자료에 활용하고 있습니다. 이때의 성과는 2017년에 사이언스에 발표를 했었습니다.
다시 본론으로 돌아가서, 이런 방법을 통해서 저희는 기존의 한계를 극복하고 연구 성과를 얻었는데, 이런 방법을 통해서. 먼저 영하 45℃ 이하의 얼지 않은 물에 대한 측정이 가능하다는 것을 최초로 증명했었습니다, 2017년에. 그래서 이 성과를 2017년 사이언스에 게재했었고요. 그리고 영하 70℃까지 이 측정 범위를 넓혀서 영하 70℃까지 갔더니 물이 실제로 2개의 액체상으로 존재하더라. 물이 무거운 물과 가벼운 물로 실제로 존재하더라, 라는 것을 최초로 증명했고 2020년에 또 성과를 발표했었습니다.
이번에는 영하 70℃까지 우리가 연구를 할 수 있으니까 정교하게 온도를 바꿔가면서, 그러면 이게 두 가지 상으로 존재하다가 이 상의 구분이 사라지는 시점이 실제로 존재하는가, 존재한다면 어디에 있는가를 연구를 자세히 했습니다. 그래서 약 6년에 걸친 추가적인 연구 결과 이 액체-액체 임계점의 존재를 최초로 증명했고, 이것이 이번에 발표드리는 성과가 되겠습니다.
그래서 이 액체-액체 임계점의 증거가 무엇이냐를 간략히만 말씀드리도록 하겠습니다, 이번 연구 성과에서. 저희는 영하 70℃부터 온도를 점점 올려가면서 어떤 변화가 있는지를 X선 자유전자레이저로, 포항 4세대 가속기로 추적하였고, 임계점보다 낮은 온도에서는 두 가지 서로 다른 상이 존재하기 때문에 이렇게 하나의 상에 해당하는 무거운 물이 점점 사라지고 가벼운 물이 점점 생겨나는 이런 상전이에 해당하는 실험 결과를 얻을 수가 있었는데 온도를 점점 올려가다 보니까 영하 60℃보다 높은 온도에서는 더 이상 이런 상전이에 해당하는, 2개의 상 사이의 변화에 해당하는 실험 결과가 얻어지는 것이 아니라 상의 구분이 사라져서 하나의 상에서 물질이 변해 가는 그런 모습으로 실험 결과가 변했다, 영하 60℃에서.
그래서 저희는 이 두 가지 상으로 존재하는 물이 두 가지 상 사이의 상의 구분이 영하 60℃에서 사라지는 액체-액체 임계점의 존재를 최초로 규명했고, 그 액체-액체 임계점이 영하 60℃ 정도에 존재한다는 것을 밝힐 수가 있었습니다.
그러면 아까 처음 질문으로 돌아가서 이 액체-액체 임계점을 밝혔다는 것이 어떤 물의 특이한 성질을 규명했다는 것과 어떻게 연결될 수 있는가에 대해서 설명드리도록, 간단히만 설명드리도록 하겠습니다.
예를 들어서, 아까 말씀드렸던 예시를 사용해서 물이 4℃에서 왜 그러면 가장 무거운가를 이 액체-액체 임계점의 존재로 설명할 수 있는지 말씀드리겠습니다.
물은 무거운 물과 가벼운 물의 두 가지 액체상으로 존재할 수 있고 상온의 물은 이 둘 사이의 상 구분이 사라진 초임계유체이다, 이 초임계유체 상태로 존재하기 때문에 물이 이러한 특이한 성질들을 보인다, 라고 말씀을 드렸습니다.
물은, 일반적인 액체는 온도가 낮아지면서 열적 활성도가 낮아지기 때문에 밀도가 높아집니다. 온도가 낮아질수록 밀도가 높아집니다. 물도 보통은 이 온도 영역에서는 온도가 낮아질수록 밀도가 높아지는 이런 경향성을 따라가게 됩니다.
하지만 물이 고밀도 물과 저밀도 물로 동시에... 두 가지 상태로 존재할 수가 있기 때문에 약 4℃ 근방에서 물이 고밀도 물에서 저밀도 물로 변해 가는, 저밀도 물의 비중이, 비율이 점점 더 크게 증가하는 현상이 나타나게 되고 저밀도 물이 점점 더 많아지면 저밀도 물은 이름 그대로 밀도가 낮은 물이기 때문에 전체 물, 우리가 관측하는 물 전체의 밀도를 오히려 떨어뜨린다, 온도가 낮아질수록 오히려 떨어뜨린다, 이렇게 설명할 수가 있겠습니다.
그래서 이런 식으로 우리가 액체-액체 임계점의 존재로부터 물의 여러 특이한 성질들의 근원을 설명할 수 있다, 완벽히 설명할 수 있다. 4℃에서 가장 무거운 거 외에 여러 다양한 많은 특성들에 대해서도 이런 유사한 설명으로 모든 것을 규명할 수 있다, 라고 말씀드릴 수가 있습니다.
마지막으로, 의의와 기대 효과에 대해서 말씀드리겠습니다.
제가 한 연구는 기초연구이기 때문에 당장의 어떤 부가가치를 만든다든지 어떤 산업에 응용된다든지 이런 것은 말씀드리기가 어렵고요. 하지만 일단 의의를 말씀드리면, 오랜 세월의 극심한 학계의 논쟁이 있었습니다, 물의 특성에 대한 이해 관련해서. 이러한 논쟁을 해결할 수 있는, 논쟁에 마침표를 찍을 수 있는 그런 실험적인 근거를 제시한 그런 의의가 있습니다.
그리고 물은 앞에 말씀드린 것처럼 여러 자연 현상에서 필수적인 역할을 수행하기 때문에 이러한 필수적인 역할을 어떻게 수행할 수 있는가에 대한 그런 구체적인 연구를, 연구에 대한 출발점이 될 수 있을 것이다, 이런 의의를 말씀드릴 수가 있고요.
그리고 이렇게 물의 특이한 성질의 근원을 규명한 이런 연구는 다른 수많은 연구들, 물이 아까 생명 현상, 생체분자 연구, 기후변화, 물이 용매로 사용되는 화학 반응 등 수많은 산업이나 연구에 물이 활용되고 있는데 이런 연구에서 물의 특성이 굉장히 중대한 영향을 줍니다. 물의 특성을 어떻게 고려해서 이런 연구를 수행하느냐, 물의 특성을 어떻게 고려해서 이런 실험을 수행하느냐 하는 것은 굉장히 중요한 일이라고 할 수가 있겠습니다.
그래서 저희 연구 결과를 통해서 물의 특성을 이전보다도 학계에서 훨씬 더 잘 이해할 수가 있게 되었고, 그런 결과를 바탕으로 다른 수많은 연구의 정확도를 크게 향상시킬 수 있는 그런 파급효과가 있을 것으로 기대하고 있습니다.
이상으로 발표를 마치겠습니다. 감사합니다. [질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.
<질문> 안녕하세요? 발표 잘 들었고, 아까 생략을 하시긴 했는데 그 과냉각 상태 액체 물 만드는 방법을 간단하게라도 한번 설명을 부탁드리고요.
일단 제가 아직 다 이해를 못 해서, 이게 영하 60°C에서 초임계유체가 된다고 하셨는데 그게 제가 지금 이해하기로는 약간 무거운 물과 가벼운 물의 구분이 없어지는 거라고 이해를 했는데, 그다음에 4°C 근처에서 다시 또 무거운 물과 가벼운 물의 비중이 달라지는 개념이 나오는데 이게 제가 이해하기로는 60°C... 그러니까 영하 60°C에서는 구분이 없어졌는데 왜 4°C에서는 다시 무거운 물과 가벼운 물이 구분되는지 약간 그런 게 궁금합니다.
<답변> (김경환 포항공대 교수) 감사합니다. 굉장히 날카롭게, 제가 생각했던 것보다도 날카로운 질문을, 이해를, 제가 생략한 부분을 잘 질문해 주신 것 같습니다.
먼저, 첫 번째 질문에 대한 답을 조금 드리면 저희가 사용하는 방식은 크게 두 가지입니다. 물을 빠르게 냉각을 시키는 방법, 물을 예를 들어서 왼쪽에 있는 이 그림과 같이 작은 물방울을, 진공상에 작은 물방울을 뿌리게 되면 진공이기 때문에 물방울의 표면에서 물이 빠르게 증발하게 되고, 그 물이 증발하면서 증발열을 이 물방울에서 뺏어가게 됩니다. 뺏어가서 순간적으로, 그 증발이 진공에서는 굉장히 빠르게 일어나기 때문에 순간적으로 굉장히 낮은 온도까지 도달할 수 있는 그런 방법을 사용합니다.
결국은 얘가 얼어붙는 속도와 냉각되는 속도 사이의 경쟁이고, 냉각... 그러니까 얼어붙는 속도보다도 더 빠르게 얘를 냉각시킬 수 있으면 낮은 온도에 도달할 수가 있습니다.
오른쪽 방식은 다른, 조금 다른 방식인데 영하 70°C까지 접근하기 위해서는 우리가 비정질 얼음이라고 하는, 그 보도자료에 설명이 돼 있는데, 비정질 얼음이라고 하는, 'Cryo-EM' 들어보셨을 텐데 Cryo-EM에서 사용되는 그런 종류의 얼음을 시작 물질로 사용해서 비정질 얼음을 레이저로 가열해서 비정질 얼음을 녹입니다. 비정질 얼음을 녹인 상태를 순간적으로 만들면 이 상태의 녹은 물은 영하 70°C에 녹아 있는 물을 만들 수가 있다, 이렇게 설명을 드리겠습니다. 이게 첫 번째 질문에 대한 답이고요.
두 번째 질문에 대한 답을 말씀드리면 초임계유체, 임계점에서 무거운 물과 가벼운 물 사이에 상 구분이 사라져서 하나의 상으로 존재하게 되는, 초임계유체로 존재하게 되는데 이 초임계유체가 그 두 가지, 무거운 물과 가벼운 물의 정보가 완전히 사라진 게 아닙니다.
우리가 일반적으로 얘기하는 임계점에서도, 액체-기체 임계점에서도 액체상... 액체의 밀도와 기체의 밀도가 공존하는 상태가 초임계유체인 거고, 여기서도 무거운 물 상태와 가벼운 물 상태가 상으로 분리되는 것이 아니라 2개의 상태가 공존하는 상태가 초임계유체 상태가 되겠습니다.
2개의 상태가 공존하고 있는 상태가 우리 일반적으로 보는 이 물 상태라고 해석을 하는 거고요. 이 물 상태에서 그러면 무거운 물 비중... 상태가 더 많이 존재하느냐, 가벼운 물 상태가 더 많이 존재하느냐가 온도에 따라서 이 비율이 바뀌는 겁니다.
높은 온도에서는 무거운 물 상태가 더 많은, 많이 존재하고 낮은 온도에서는 가벼운 물 상태가 더 많이 존재하고, 이 비율이 크게 바뀌는 영역, 4°C 근방에서 이 밀도 경향성이 역전이 일어난다. 그래서 최대치를 4°C에서 보이게 된다, 이렇게 설명드릴 수가 있겠습니다.
<질문> 어떻게 보면 이게 10년 동안 연구를 해서 이런 결과를 세계 최초로 발표하신 거잖아요. 그러면 아까 마지막에 이게 산업 전반에도 많은 영향을 줄 것이다, 또 여러 분야에도 영향을 많이 줄 거라고 하셨는데 이게 조금 물이라는 게 너무 많은 분야에 퍼져 있다 보니까, 예를 들면 어떤 산업 현장에 조금 적용할 수 있는지, 그런 거를 쉽게 설명해 주실 수 있으실까요?
<답변> (김경환 포항공대 교수) 구체적인 예를 들어드리는 건 조금 어려울 것 같고요. 그러니까 물의 특성을 이용하잖아요. 산업 현장이 됐든 연구실이 됐든, 예를 들어서 물은 얘를 잘 녹이더라, 물은 어디, 어떤 공정에서 어디에 사용했더니 어떤 효과를 일으키더라, 이런 것들을 나름대로 활용해서 그런 것들을 사용하실 텐데 그런 물의 특성을 활용할 때 그것의 더 정확한 이해를 바탕으로 활용할 수 있다, 라는 것이죠.
기존에는 어떤 피상적인, 이런 현상적인, 뭐를 했더니 무슨 일이 생기더라, 라고 하는 그런 경험적인 이해를 바탕으로 어떤 활용을 했다고 하면 더 근본적인 물의 특성에 대한 이해를 규명한 것으로부터 그런 모든 일들, 산업 현장이나 연구에 대한 모든 일들의 정확도를 궁극적으로 향상시킬 수 있을 것이다, 라고 설명드리겠습니다.
<질문> (온라인 질의 대독) 다음은 온라인을 통해서 들어온 질문을 제가 대신 읽어드리겠습니다. 연합뉴스 기자 질문입니다. '2020년 논문 이후 6년이 걸렸는데요. 기간이 걸린 것은 4세대 가속기 이용이 어려운 게 영향이 있었는지요? 아니면 실험 횟수가 늘어난 영향인지요?'라는 거고요.
또 하나는 물 특성 연구가 기초과학적 측면이 강하다고 여겨지다 보니까 많은 연구가 있지는 않은 것 같은데 관련해서 어려움은 없었는지도 궁금합니다.
<답변> (김경환 포항공대 교수) 질문 감사드립니다. 먼저, 첫 번째 질문에 답을 드리면 4세대 가속기 활용 경쟁 때문에 실험 기회가 한정되어 있다, 이런 것도 하나의 요인일 수는 있는데요. 그것보다는 6년이나 걸렸던 이유는 이것이 그만큼 모두가 학계에서 불가능하다고 얘기했을 만큼, 그만큼 도전적이고 어려운 연구였기 때문이다.
그게 어떤, 왜 어려운가를 말씀드리면, 영하 45℃ 이하의 매우 낮은 온도의 얼지 않은 물을 측정하는 것이 얼마나 어려운 일인가를 아까 설명을 드렸는데 임계점을 찾기 위해서는, 그러니까 그전의 그 2개의 연구와는 다르게 임계점을 찾는다는 것은 이 상도표, 왼쪽에 나와 있는 이 그림상에서 2차원 상도표 안에서 단 하나의 점을 찾는 것입니다.
이 안을 정밀하게 탐구해서, 그러니까 이 상도표에 보이는 그 어떤 점도 그 하나를 측정하는 것만 해도 기존에는 불가능하다고 사람들이 생각했을 정도의 어려운 도전적인 일인데 그것을 이 안을 자세히 뒤져서 정말 이 안에 저 점, 하나의 점이 존재하는가를 찾아내야 되는 일이기 때문에 그만큼 더 훨씬 도전적인, 6년이나 걸릴 정도로 그런 도전적인 연구였다, 후속 연구였다.
그리고 이것을, 이 점을 찾는다는 것이 이 전체 연구를 완성하는 그런 핵심적인 연구에 해당하기 때문에 포기하지 않고 꾸준히 도전해 왔다, 이렇게 말씀을 드릴 수가 있겠습니다. 이런 연구를 수행할 수 있도록 많은 끊임... 중간에 끊지 않고 지원해 주셔서 이런 연구를 수행할 수 있었습니다.
그리고 두 번째 질문이 뭐였죠? 혹시.
<질문> (온라인 질의 대독) 기초연구 쪽이 물 관련해서는 많지 않은 것 같은데 혹시 어려움은 없으셨는지요?
<답변> (김경환 포항공대 교수) 이러한 연구가 제가 실험적인 연구의 어려움을 말씀드렸잖아요. 실험적 연구, 이런 측정이 불가능했다. 여전히 지금도, 지금까지도 저희 연구팀에서만 이 영역을 측정할 수 있습니다. 다른 이 영역을 측정한 연구가 전 세계적으로도 그런 걸 할 수 있는, 그런 게 보고되는 바가 없고요. 그래서 그런 새로운 영역에 도전했기 때문에 그런 어려움이 있다고 할 수가 있고, 이런 것들을 할 수 있는 그룹이 많이 없기 때문에 그런 관련 연구를 많이 들어보시지 못하셨을 수도 있다.
그래서 이런 연구는 주로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 많이, 대부분 연구가 됩니다. 컴퓨터 환경 안에서는 영하 70℃ 이런 물을 얼지 않은 상태로 컴퓨터로 구현해서 연구를 할 수가 있기 때문에 지난 수십 년 동안 많은 사람들은 그런 연구를 주로 수행해 왔다, 이런 실험적인 연구는 불가능하다고 여겨졌고 이만큼 도전적이고 저희만 가능하기 때문에 관련 연구들이 많지는 않다, 라고 말씀드릴 수가 있겠습니다.
<질문> 질문이 없다 그래서 하나 더 드리겠습니다. 스톡홀름대 연구팀하고 함께하셨는데 아까, 지금 보여 주시는 그래프도 보니까 밑에 닐슨 교수가 저자로 들어가 있더라고요. 그래서 2015년에도 저런 연구를 하신 팀인 것 같은데 국제연구를 하게 된 스토리 같은 게 있는지, 얼마나 같이 오래 연구를 해오셨는지 이런 게 궁금합니다.
<답변> (김경환 포항공대 교수) 이 제가 말씀드린 주제에 대해서 처음부터 꾸준히 국제 공동연구를 수행해 왔고요. 저 같은 경우에는, 저는 학위 할 때 4세대 가속기, 포항 4세대 가속기 말고 그전에는 미국에만 시설이 있었는데 혹은 일본에 있는 시설, 그 시설이 처음 등장했을 때 그 4세대 가속기를 활용하는 연구를 제 학위 주제로 연구를 했었습니다. 그래서 기존에 할 수 없었던 그런 새로운, 불가능... 기존에는 불가능했던 이런 새로운 연구들을 수행하는 것을 제 학위 논문 주제로 했었고요.
그래서 남들이 못 하는 이런 연구를 할 수, 이런 측정을 할 수 있는 그런 것을 익혔는데 이걸 통해서 어떤 새로운 도전을 해보고 싶다. 그동안에, 지난 수십 년간 사람들이 해결하지 못했던, 다른 방식으로는 이 4세대 가속기가 아니면 할 수 없는 그런 새로운 연구 주제를 찾고 싶다, 라는 생각이 있었고요.
앤더스 닐슨 교수님은 이런 주제에 대해서 다른 방법으로, 4세대 가속기가 아닌 다른 수단으로 이런 연구를 해오시던 분이고 그래서, 그런데 이 4세대 가속기... 4세대 가속기를 활용하면 이런 연구를 할 수 있지 않을까, 라는 뜻으로 그렇게 해서 공동연구를, 이 일을 10년째 같이 해오고 있고 이런 성공적인 결과를 함께 내고 있습니다.
<질문> 교수님, 지금 이게 결과가 이게 물의 액체-액체 임계점을 존재한 게 최종 결과를 증명하기 위해서, 지난 10년간 진행해 온 게 이 결과를 증명하기 위한 거인 거였나요?
그리고 또 궁금한 게 이 포항 4세대 가속기가 있고, 또 물이 연구할 수 있는, 뭐라고 하죠? 미지의 세계도 되게 아직 많이 남아 있는 것 같은데 그러면 이 포항 4세대 가속기를 이용해서 또 앞으로도 물에 관련한 연구를 하신다면 어떤 부분을 고민하고 계신지 궁금합니다, 두 가지.
<답변> (김경환 포항공대 교수) 질문 감사합니다. 먼저 첫 번째 질문 답을 드리면, 맞습니다. 이게 저희 연구는, 중간에 물론 두 차례 사이언스에 리포트를 하긴 했지만 최종적으로 물의 액체-액체 임계점을 증명하기 위해서 이런 연구를 처음부터 앤더스 닐슨 교수님과 이런 계획을, 큰 그림을 세울 때부터 그것을 최종 목표로 연구를 계획했고요. 그것을 해결해 나가기 위해서 중간 과정에서 어려운, 실험 불가능, 당대에서는 불가능했던 그런 것들을 해결해 나가는, 그런 것들을 구현해 나가는 그런 과정이었다, 10년간에 걸친 과정이었다고 이해해 주시면 되겠습니다.
그리고 두 번째 여쭤... 질문 같은 경우에, 제가 죄송합니다. 또 까먹었는데 뭐였죠?
<질문> 포항 4세대 가속기를...
<답변> (김경환 포항공대 교수) 앞으로 할 연구에 대해서, 굉장히, 제 학생도 여기 있는데 하고 싶은 게 너무 많아서, 그런데 이 일과 관련해서는 가장 처음 계획하고 있는, 지금 몇 달 뒤에, 5월에 이 4세대, 포항 4세대 가속기의 실험이 또 예정되어 있습니다. 그 실험에서 계획하고 있는 구체적인 거는 '액체-액체 임계점이 존재한다, 영하 60℃ 근처에 존재한다.'라는 것은 이번에 규명했는데 영하 60℃, 여기 과학 하시는 분들은 오차범위라는 게 있거든요. '영하 60℃ ±8℃ 안에 존재한다.'라고 여기 성과에서는 보고를 했습니다.
그런데 ±8℃라는 것이 꽤 큰 값이거든요. 그래서 학계에서, 그동안 이 연구를 해오던 수많은 과학자들이 저희 연구 결과를 기다리고 있는데, 그래서 '이 위치가 어딘지를 알려 주면 내가 그걸 가지고 온갖 연구에 활용할 거야.'라고 기다리고 있는데 ±8℃라고 제시를 하면 이게 너무 범위가 넓어서 정확도를 좀 높여 줬으면 좋겠다, 이런 얘기를 하시거든요.
그래서 이번에 수행하는 새로운 실험으로 그것을 훨씬 더 정확하게 핀포인팅을 해서, 그러면 아까 말씀드린 향후 효과에서 다른 수많은 연구들의 정확도를 그만큼 올릴 수 있을 것이다, 구체적인 계획은 그런 거고요.
좀 넓게 보면 어쨌든 이게 어떤 biomolecule라든지 이런 것과 상호작용하는 물의... 그러니까 물의 biomolecule를 둘러싸고 있는 이런 환경이라든지, 그런 것들이 서로 영향을 주고받을 텐데, 결국은 물의 특성이 그런 생명 현상이나 이런 것들에도 영향을 줄 것이다. 그런 쪽으로 물이 이런 생명 현상에 어떤 중요한, 왜 이렇게 중요한 역할을 하는가를 우리가, 저희가 이렇게 밝혀낸 이론을, 이런 결과를 바탕으로 한 단계 더 나아간 이해를 하는 실험들을 많이 계획하고 있습니다.
<질문> (온라인 질의 대독) 다음 온라인 질문이 하나 더 들어왔는데요. 제1저자께 질문입니다. 마찬가지로 연합뉴스 기자님 질문입니다. 6년 전 인터뷰에서 교과서에 남을 만할 법칙을 발견하고 싶다는 언급을 하셨는데, 이룬 것 같기도 하고 한 연구를 어느 정도 완성한 것 같은 느낌인지, 그리고 소감이 있으시다면 말씀해 주시기 바랍니다. 그리고 앞으로 어떠한 연구자가 되고 싶은지도 같이 말씀해 주시면 감사하겠습니다.
<답변> (유선주 포항공대 제1저자) 제가 대학생 시절부터 해서 교수님과 함께 연구에 참여하게 돼서, 그때 2020년에 인터뷰를 할 수도 있고 그런 기회를 시작으로 해서 지금까지 거의 7년에 걸쳐서 이 연구를 계속 해왔고요. 그 결과를 드디어 이번에 발표할 수 있어서 저도 정말 말씀... 질문 주신 대로 진짜 교과서에 실리는 그런 발견을 해낼 수 있어서 정말 기쁩니다.
그런데 제가 옛날에 생각하던 거보다는 이 연구 과정에 특히 아무도 해내지 않은 일을 해낸다는 게 엄청나게 어렵다는 것도 많이 느낄 수 있었고요. 특히 이 연구는 앞에서 질문 주셨던 것처럼 정말 그 누구도 해내지 못한 부분을 처음으로 연구하는 거였기 때문에 참고할 만한 다른 연구도 잘 없고, 그래서 그런 부분이 연구 과정에 되게 어려움도 많이 있었지만 그럼에도 불구하고 이런 결과를 이룰 수 있었다는 게 정말 뿌듯하고요. 앞으로도 더 그런, 교과서에 실릴 만한 연구들을 하고 싶습니다.
<답변> (사회자) 더 이상 질문이 없으신 것 같습니다. 그러면 이것으로 오늘 브리핑을 모두 마치도록 하겠습니다. 오늘 브리핑의 보도 시점은 3월 27일 금요일 새벽 3시입니다. 국제 엠바고인 만큼 보도 시점까지 가판과 PDF, 온라인 등에 노출되지 않도록 유의해 주시기 바랍니다. 감사합니다.
<끝>