영하 45도 얼지 않는 물의 비밀! 30년 난제 해결, 끈적임이 멈추지 않는 진짜 이유

 

[요약]
1. 영하 45도에서도 얼지 않는 ‘과냉각 물’에서 점도의 증가 방식이 달라지는 전이점이 처음으로 관측되었습니다.
2. 물은 이 온도에서 ‘완전히 멈추는 액체’가 아니라, 새로운 규칙으로 끈적임을 유지하며 움직인다는 것이 밝혀졌습니다.
3. 이번 연구는 30년 넘게 이어진 물의 비밀을 푼 성과로, 기초과학은 물론 소재·환경·생명 연구에도 중요한 단서를 제공할 것으로 기대됩니다.
[답변]

목차

1. 영하 45도, 왜 물은 얼지 않고 버틸까?
2. 과냉각 물과 ‘끈적임’의 상식, 무엇이 다른가
3. 포스텍 연구진이 밝힌 영하 45도 물의 비밀
4. 30년 난제 해결이 우리 일상과 과학에 주는 의미
5. 정리하며 – 앞으로 물을 보는 눈이 달라집니다

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영하 45도, 왜 물은 얼지 않고 버틸까?

겨울이면 기온이 0도만 조금 내려가도 길가의 물웅덩이가 얼어붙는 걸 쉽게 보실 수 있습니다. 그런데 최근 국내 연구진이 영하 45도에서도 얼지 않은 물의 움직임을 직접 관측하는 데 성공했다는 소식이 나왔습니다. 상식적으로는 거의 말이 안 되는 온도인데, 여기서 물은 어떻게 존재하고, 또 어떻게 움직일까요?

 

수십 년 동안 과학자들은 “물은 극저온에 가면 점도(끈적임)가 무한히 커져서 사실상 완전히 멈춰버릴 것”이라고 예측해 왔습니다.[2][4] 하지만 최근 포스텍 김경환 교수 연구팀과 스웨덴 스톡홀름대 연구진이 이 가설에 정면으로 도전하는 결과를 내놓았습니다. 물은 멈추지 않았고, 오히려 새로운 방식으로 계속 움직이고 있었다는 겁니다.

“영하 45도의 물은 얼지 않았을 뿐 아니라, 우리가 예상한 것과 전혀 다른 규칙으로 끈적임을 바꾸며 움직이고 있었다.”

이 글에서는 “영하 45도에서도 얼지 않는 물의 비밀”을, 전문적인 내용을 최대한 쉽게 풀어서 정리해 보겠습니다. 끝까지 읽어보시면, 물 한 잔을 보실 때도 조금 다른 눈으로 보시게 될 겁니다.

과냉각 물과 ‘끈적임’의 상식, 무엇이 다른가

먼저 핵심 개념부터 간단히 짚고 가보겠습니다. 이번 연구의 주인공은 과냉각(supercooled) 물입니다. 과냉각 물이란 어는점(0℃) 아래로 내려갔는데도 여전히 액체 상태로 남아 있는 물을 말합니다. 아주 깨끗한 물이 특정 조건에서 급격히 얼 기회를 놓치면, 잠시 동안 얼지 않은 채로 더 낮은 온도까지 액체로 버티는 현상이죠.

 

여기서 중요한 물성 중 하나가 점도(끈적임)입니다. 점도는 액체 속 분자들이 서로 얼마나 잘 미끄러지고, 얼마나 서로를 잡아끄는지를 나타내는 물리량입니다. 쉽게 말하면, 물은 점도가 낮아 잘 흐르고, 꿀은 점도가 높아 천천히 흐른다고 보시면 됩니다. 온도가 내려갈수록 대부분의 액체는 더 끈적해지는데, 냉장고에서 꿀이 잘 안 흐르는 모습을 떠올리시면 이해가 쉽습니다.

 

그래서 과학자들은 “물도 계속 식히면 언젠가 무한히 끈적해져서, 사실상 고체처럼 움직임이 멈추겠지”라고 생각했습니다. 이게 바로 30년 넘게 교과서처럼 반복되던 예측이었습니다. 하지만 문제는, 이 예측이 물의 다른 특이한 성질들과 잘 맞지 않는다는 점이었습니다.

 

물은 밀도, 압축성, 열용량 등 여러 면에서 다른 액체와는 다른, 아주 특이한 물질입니다. 그래서 학계에서는 1990년대부터 “어느 온도쯤에서 물의 점도 증가 방식이 갑자기 바뀌는 전이점이 있을 것”이라는 가설이 조심스럽게 제기되어 왔습니다. 하지만 이걸 실제로 확인하는 건 쉽지 않았습니다. 영하 수십 도로 내려가면 물은 금세 얼어버려서, 그 “얼기 직전” 상태를 포착하기가 거의 불가능했기 때문입니다.

포스텍 연구진이 밝힌 영하 45도 물의 비밀

이번에 포항공대(포스텍) 김경환 교수 연구팀과 스웨덴 스톡홀름대 앤더스 닐슨 교수팀이 바로 그 어려운 지점을 파고들었습니다. 핵심은 “얼기 직전 과냉각 물을 얼마나 짧은 순간이라도 만들어내고, 그 순간을 촬영하자”는 아이디어였습니다.

 

연구진은 먼저 진공 환경에서 실험을 진행했습니다. 진공에서는 물방울이 매우 빠르게 증발하면서 주위의 열을 빼앗습니다. 이 과정을 이용해 아주 짧은 시간 동안만 존재하는 ‘영하 45도의 액체 상태 물’을 구현하는 데 성공했습니다. 말 그대로 눈 깜짝할 사이에 사라지는, 극저온의 살아 있는 물이 만들어진 겁니다.

 

그다음이 더 인상적입니다. 이 물이 어떻게 움직이는지 보기 위해, 연구진은 X선 자유전자 레이저(XFEL)라는 거대한 연구 장비를 사용했습니다. 이 장비는 태양보다 수십억 배 밝은 X선을 쏴서, 물 분자의 움직임을 10조 분의 1초(펨토초) 단위로 촬영할 수 있습니다. 덕분에 눈으로 볼 수 없는 분자의 ‘진동과 흔들림’을 마치 초고속 동영상처럼 따라갈 수 있게 된 것입니다.

 

이 초정밀 측정을 바탕으로 연구진이 얻어낸 결론은 매우 명확했습니다. 물의 점도는 영하 40도 부근에서 증가 방식이 바뀐다는 것입니다. 다시 말해, 온도가 내려갈수록 그냥 계속해서 끈적해지는 것이 아니라, 어느 지점을 기준으로 전혀 다른 규칙을 따르기 시작한다는 겁니다.

 

그 결과, 물은 영하 45도에서 예전 예측처럼 무한히 끈적해져 완전히 멈추는 액체가 아니라, 새로운 동역학적 규칙으로 여전히 움직임을 유지하는 액체라는 사실이 처음으로 실험적으로 입증되었습니다. 이로써 30년 동안 가설로만 존재하던 “점도의 전이점”이 실제 데이터로 확인된 셈입니다.

“물은 영하 45도에서도 멈추지 않는다. 다만 우리가 예상했던 것과는 전혀 다른 방식으로 끈적임을 키워가며 살아 움직이고 있을 뿐이다.”

물리학적으로는 이를 두고 ‘fragile-to-strong transition(취성-강성 전이)’라는 가설을 지지하는 증거라고 해석합니다.[2] 액체의 성질이 어느 온도를 경계로 ‘깨지기 쉬운(fragile) 유리 같은 액체’에서 ‘더 단단하고 규칙적인(strong) 액체’ 쪽으로 바뀌는 전환이 실제로 존재한다는 의미입니다. 어려운 영어 표현이지만, 핵심만 기억하시면 됩니다. “물은 영하 45도에서도 포기하지 않고, 다른 모드로 계속 흐른다.”

💡 잠깐, 여기서 생각해볼 점
우리가 매일 마시는 물 한 잔 속에도 이렇게 복잡한 물리 법칙과 미지의 영역이 숨어 있습니다. 이런 기초연구들이 쌓여 나중에는 새로운 소재, 배터리, 환경·생명 기술로 이어질 수 있다는 점, 한 번쯤 떠올려 보시면 더 흥미롭게 느껴지실 거예요.

30년 난제 해결이 우리 일상과 과학에 주는 의미

그렇다면 이 연구가 왜 중요할까요? 얼핏 보면 그냥 “영하 45도에서도 안 얼더라” 정도의 호기심 실험처럼 느껴질 수도 있습니다. 하지만 이번 성과는 물이라는 가장 보편적인 물질의 근본을 다시 이해하게 해 준 계기라는 데 의미가 큽니다.

 

첫째, 물의 특이한 성질을 설명하는 이론이 한층 더 정교해질 수 있습니다. 물은 밀도, 압축성, 열용량 등에서 다른 액체와는 전혀 다른 비정상적인 거동을 보이는데, 이번에 과냉각 영역에서 점도 변화의 규칙이 확인되면서, 이런 특성이 어디서 비롯되는지에 대한 퍼즐 조각이 하나 맞춰졌다는 평가를 받고 있습니다.

 

둘째, 극저온 환경에서의 물 거동을 정확히 이해하면 기후·환경 연구에도 도움이 됩니다. 예를 들어, 상층 대기나 극지방 환경에서는 물이 얼기 직전의 상태로 오랫동안 존재하기도 합니다. 그 영역에서 물이 어떻게 움직이고, 어떤 반응을 하는지 알수록 기상 모델이나 얼음 결정 형성 연구가 더 정밀해질 수 있습니다.

 

셋째, 재료·에너지·생명과학에서도 응용 가능성의 문이 열립니다. 물의 점도와 구조 변화는 단백질 접힘, 세포 내 반응, 배터리 전해질 거동 등과도 깊게 연결되어 있습니다. 이번처럼 극저온에서의 물 분자 움직임을 펨토초 수준으로 보는 기술 자체가 다른 복잡한 시스템을 연구하는 데 강력한 도구가 될 수 있습니다.

 

무엇보다 이 연구는 “수십 년째 풀리지 않던 난제를, 매우 정교한 실험 설계로 정면 돌파했다”는 점에서 의미가 큽니다. 이론으로만 떠돌던 이야기를 실제 데이터로 확인했다는 점에서, 물리·화학 분야에서 오래 기억될 성과로 평가되고 있습니다.

정리하며 – 앞으로 물을 보는 눈이 달라집니다 🚀

지금까지 영하 45도에서도 얼지 않는 물, 그리고 그 속에서 멈추지 않고 계속 움직이는 ‘끈적임의 비밀’을 살펴보았습니다. 과학자들이 오랫동안 믿어온 “극저온에서 물의 점도는 무한히 커져 멈춘다”는 예측은, 이번 연구로 정정이 필요해졌습니다. 물은 멈추지 않았고, 오히려 특정 온도(약 영하 40도 부근)에서 점도 증가의 규칙을 바꾸면서 새로운 방식으로 흐름을 이어가고 있었기 때문입니다.

 

우리가 매일 마시는 물, 세탁기·보일러·자동차 냉각수 속의 물, 그리고 인체를 순환하는 몸속의 물까지. 그 뒤에는 이렇게 복잡하고 흥미로운 세계가 숨겨져 있습니다. 이런 기초과학 연구들이 차곡차곡 쌓이면, 언젠가 일상 속 기술과 제품으로 돌아오게 됩니다. 영하 45도 물의 비밀 역시 먼 미래에는 새로운 소재 개발이나 극저온 공정, 환경 연구에 중요한 역할을 할지 모릅니다.

💡 함께 생각해 보실까요?
이런 과학 이야기가 흥미로우셨다면, 앞으로도 ‘물·환경·재료’와 관련된 새로운 연구 소식들을 천천히 풀어드리겠습니다. 궁금하신 주제나 더 알고 싶은 내용이 있으시면 댓글로 남겨주세요. 블로그 운영에 큰 도움이 됩니다 🙂

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