물은 액체, 고체, 기체 상태로 존재하며, 약 4(3.98)℃일 때 밀도가 가장 크고(1,000kg/m3), 얼음이 되면 9%만큼 부피가 증가하면서 밀도는 917kg/m3가 된다. 깊은 호수나 바다에서는 4℃의 물이 바닥으로 내려가고, 얼음은 수면에 생겨나 하늘(대기)의 찬 기온이 수면 아래로 내려가는 것을 막아준다. 순수한 물은 100℃에서 끓고, 0℃는 액체와 고체 사이의 경계(境界)를 이루는 온도이다. 이런 내용은 일반적인 물에 대한 상식이다.
물은 액체, 기체, 고체로 쉽게 변한다. 기체가 액체로 변하는 것은 응결(凝結 condensation), 액체가 고체화하는 것은 결빙(freezing), 얼음이 물로 녹는 것은 해빙(melting), 고체가 기체로 되는 것은 승화(昇華 sublimation), 기체에서 바로 고체가 되는 것은 deposition(승화)이라 한다.
얼음은 언제나 물 표면에 언다는 것은 당연하기 때문에 일반인들에게는 의문의 대상이 아니다. 그러나 과학자들에게는 지금까지도 알지 못하는 너무나 신비한 성질이다. 만일 얼음이 수면이 아니라 바닥까지 언다면, 그 수계(水界)에는 생명체가 번성하기 지극히 어렵게 된다. 그러나 다행하게도, 수면에만 결빙(結氷)이 생기는 이유는 ‘물의 밀도가 4℃일 때 가장 크고(무겁고), 온도가 더 내려가 얼음이 되면 가벼워지는데 있다.
물을 제외한 세상의 모든 물질은 온도가 낮아지면 밀도가 높아지며, 밀도가 증가하면 내부의 압력도 높아진다. 그러나 물만은 4℃ 때 밀도가 최고가 된다. 과학자들은 이러한 성질을 갖게 되는 원인을 물의 분자구조에서 찾으려고 한다. 2020년 11월 20일자 <Science>에 ‘초저온과 고압 조건에서 나타나는 물 분자의 변화’를 연구한 포항공대 김경환(Kyung Hwan Kim) 교수 팀과 스웨덴 스톡홀름 대학 닐슨(Anders Nisson) 팀의 공동연구 논문이 실렸다. (논문 제목 : Experimental observation of the liquid-liquid transition in bulk supercooled water under pressure)
과학자들은 결빙한 물과 액체상태의 물은 분자구조가 다를 것이라고 생각해왔다. 또한 1990년대 이후부터 초저온, 초고압 조건의 물 분자 구조와 그들의 성질에 대한 연구가 진행되어 왔다.
순수한 물은 0℃에서 얼지만, 다른 물질(불순물)이 녹아 있으면 결빙온도가 내려간다. 저온의 물은 밀도가 높아짐에 따라 압력도 강해진다. 과학자들은 -40℃ ~ -113℃까지 온도를 내린 물(압력 3,000기압)의 성질도 조사했다. 이런 저온에서 액체의 물을 고체(얼음)로 변화시키는데 걸리는 시간은 나노초(nanosecond 10억분의 1초) 단위로 짧았다. 그리고 초저온, 초고압의 얼음에 적외선 레이저나 X-레이 레이저를 비추어 녹이는데 걸리는 시간 역시 초순간(펨토초 femtosecond 1,000조분의 1초 단위)이었다. 이런 조건에서 물 분자의 성질과 변화를 조사하려면, 지극히 얇은 ‘물의 막'(film of water)을 만들어 실험해야 한다.
얼음의 표면에 있는 물 분자가 바로 기체상태로 변하는 것을 승화라 한다. 남극대륙의 얼음은 대부분 직접 기체로 승화하고 있다.
물질이 액체상태에서 고체로, 고체에서 액체로 변하는 온도(또는 압력)를 임계점(臨界點 critical point)이라 한다. 물이 액체에서 고체로, 고체에서 액체로 변하는데 걸리는 임계점의 시간은 초순간이다. 과학자들은 이런 ‘초순간 임계점’에서 물의 분자가 어떻게 달라지는지 조사하고 있다. 그들의 연구 내용은 일반인의 이해 한계(限界)를 넘으므로, 여기서는 물의 신비를 밝히기 위해 어떤 연구를 하고 있는지 한 단면(單面)을 알아보았다.
물은 인간과 가장 친숙한 물질이지만, 신비가 너무 많은 존재이기도 하다. 현재 과학자들이 하고 있는 초저온, 초고압 조건의 물에 대한 연구는 다른 천체에 존재하는 물을 이해하는데도 도움이 될 것이다. – YS
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