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“과학자들이 물이 얼지 않고 최대한 버틸 수 있는 가장 낮은 온도를 발견했다. 섭씨 영하 48도이다”

호주 에이비시(ABC)방송의 24일(현지시각) 보도 내용이다.

유타대 화학자 발레리아 몰리네로와 에밀리 무어는 물을 액체 상태로 섭씨 영하 48도까지 낮추는 데 성공했다. 과학잡지 네이처(Nature)에 게재된 그들의 연구 결과는 지구 온난화를 연구하는 과학자들이 물이 어느 온도에서 얼거나 결정화하는지 이해하는데 도움을 줄 것이다. 즉, 이 정보는 태양 복사 에너지가 대기 중의 수분과 얼음에 의해서 얼마나 흡수되는지를 보다 잘 예측할 수 있도록 한다.

액체 상태의 물은 수소 원자 두 개와 산소 원자 하나가 수소 결합이라고 불리는 느슨한 결합 상태를 이루고 있는 분자 구조를 갖는데, 마치 매달려 있는 듯한 모양이다. 물은 보통 섭씨 0도에서 다른 물체와의 접촉부위 혹은 액체 내부의 작은 빙정(氷晶)에 의해서 얼기 시작한다. 그러나 섭씨 영하 40도 정도로 찬 액체 상태의 물이 구름 속에서 발견되는 것이다.

내부에 결정화를 촉발시킬 것이 전혀 없는 매우 순수한 물은 (얼기 시작하는) 핵을 스스로 자발적인 변화에 의해서 만드는 수밖에 없다. 이 프로세스를 균일 빙정(均一 氷晶, homogenous nucleation)이라고 부르는데 매우 순식간에 일어난다.

* 절대 빙점 :

섭씨 영하 41.11도까지 초냉각수(Super Cooled Water)가 연구됐다. 이온도는 거의 균일 빙정점 가까운 온도인데, 물이 얼면서 얼음의 결정화 비율이 측정될 수 있는 가장 낮은 온도이다.

그러나 얼음의 결정화 메커니즘은 미스터리로 남았는데 그 속도가 너무 빨라서 남아 있는 액체 상태의 물에 대한 여하한 성질을 측정할 수가 없었다. 이 문제를 극복하기 위해 몰리네로와 무어는 순수한 물이 어는 과정을 시뮬레이션용 컴퓨터 모델을 새로 개발했다.

그들은 균일 빙정점보다 훨씬 낮은 섭씨 영하 48도에서 물의 분자 구조가 물리적으로 변화하는 것을 발견했다. 이온도에서 물의 분자 구조가 느슨하게 인접 분자와 연결되어 있는 상태에서 4면체로 변하는 것을 발견한 것이다.

몰리네로는 “물은 무언가 다른 것으로 변화하고 있습니다. 이 무언가 다른 것은 얼음에 매우 가깝다. 이 과도기적 상태는 액체 상태의 물과 완전한 얼음 상태의 중간 구조다”고 말한다.

그는 또 "액체에서 얼음으로 진행되는 이러한 구조적 변화가 바로 물이 얼게 되는 온도를 결정하는 미스터리를 설명하는 것"이라고 말했다.

이 같은 연구 결과에 대해 호주 국립대 물리학 교수 네빌 플레쳐는 이것은 매우 흥미로운 일이라면서 “사람들은 오랫동안 물이 섭씨 영하 30도 이하까지 얼지 않고 냉각될 수 있다고 알아 왔다”고 설명했다.

그는 이어 “나는 그 실험 전체가 흥미롭다고 생각한다. 특히 구조 화학자들에게는 (매우 낮은 온도이긴 하지만) 얼음-물의 관계가 실리콘-카본 간의 관계와 매우 비슷하기 때문에 더욱 흥미로울 것이다”고 덧붙였다. 

초냉각수에서 발견되는 분자의 격자 구조는 화학 분야에서 2011년 노벨상을 수상한 단 쉐흐트만의 연구 결과와 매우 비슷하다고 그가 설명을 보탰다.

* 참고 : 쉐흐트만은 2011년 반복적 결정 구조의 일부가 깨어졌을 경우의 유사결정(quasicrystal) 물질에 대한 연구 공로로 노벨상을 수상했다.