물에서 우리가 몰랐던 또 다른 구조가 발견되었다.

이 세상은 여전히 미스터리로 가득합니다.

우리가 매일 이용하는 물에도 우리가 지금까지 몰랐던 비밀이 숨어 있을 수 있죠.

사실 액체 형태에 물에는 서로 다른 구조를 가진 두 액체가 섞여있다는 것이 얼마전에 확인되었습니다.

물 속에 다른 구조의 물이 들어있다니...도대체 이게 무슨 말일까요?

 

 

지구에서 가장 흔한 액체인 물은 의외로 다양한 성질을 가지고 있습니다.

예를 들어, 물은 4℃에서 밀도가 최대치가 됩니다.

그리고 온도가 내려가거나 올라가게 되면 밀도도 점점 낮아지게 되죠.

물이 얼게되면 액체 형태의 물보다 부피가 더 커지게 되는데, 이는 밀도가 더 낮아졌기 때문입니다.

물이 들어있는 페트병이 얼게 되면 팽창하게 되는데, 그 이유는 바로 이 때문이죠.

그래서 밀도가 작은 얼음은 물 위에 뜨고 밀도가 높은 물은 아래로 가라앉게 됩니다.

이러한 물의 특이한 성질 덕분에, 한겨울에 호수가 꽝꽝 얼어도 그 아래에서 물고기들이 살아갈 수 있는 거죠.

반대로 얼음의 밀도가 물보다 더 높았다면, 호수의 아래부터 얼게되어 물고기들은 모두 죽게 되었을 겁니다.

 

또한, 우리는 학교에서 "물은 0℃에서 언다"라고 배웠습니다. 하지만 여기에도 예외는 있습니다.

물은 기압이 낮아질수록 어는점이 점점 낮아지게 됩니다.

그래서 지구의 대기권에는 -35℃에서도 얼음이 얼지 않는 "과냉각" 상태에 있는 물 입자가 존재할 수 있는 거죠.

예를 들어, 구름 속에 있는 수증기는 과냉각 상태의 물이라고 할 수 있습니다.

2018년에 이루어진 한 실험에서는 -42.55℃ 까지 액체 상태의 물을 유지하는데 성공하기도 했었습니다.

게다가 물의 온도가 -45℃가 되면 특이점에 이르게 된다는 것을 수학적으로 증명하기도 했었죠.

즉, 물이 -45℃에 가까워지면 서로 다른 구조를 가진 분자로 분리되어 두 상태를 오가는 빈도(요동현상(fluctuation))가 높아진다는 겁니다.

(포항 4세대 방사광가속기를 통한 실험으로 입증)

그리고 얼마전 물에는 두 가지의 구조가 존재한다는 유력한 증거가 발견되었습니다.

도쿄대의 연구팀은 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션과 X선 산란 실험 데이터를 분석하여, 물 속에서 두 개의 다른 구조를 가진 액체가 각각 다른 움직임을 하고 있다는 것을 발견했습니다.

(Journal of the American Chemical Society 1월 30일자 논문)

여러분들도 알다시피 물은 "H2O", 즉 수소 2개와 산소 1개로 구성되어 있는 간단한 분자인데요.

물 분자는 주변의 다른 물 분자 4개와 결합하여(수소 결합)하여 정사면체의 형태를 만드는 경향이 있습니다.

 

하지만 이와 반대로 흐트러진 형태를 취하고 있는 물 분자도 있었는데요.

규칙적인 형태를 한 물 분자와 그렇지 않은 물 분자는 구조적으로 전혀 다른 움직임을 보이고 있었죠.

위의 사진에서 우측 상단의 그래프를 보면 붉은 색과 푸른 색의 그래프가 겹쳐져 있는데요.

하나는 규칙적인 형태를 하고 있는 물에 대한 그래프, 그리고 또 하나는 흐트러져 있는 형태를 하고 있는 물에 대한 그래프 입니다.

(X선 산란 실험에서 회절 피크를 분석한 결과 두 개의 피크가 숨어 있다는 것을 발견함)

 

이러한 결과는 물 안에 두 가지 종류의 구조가 존재한다는 강력한 증거라고 할 수 있는데요.

물에 대한 혼합 모델의 타당성이 분자 수준에서 규명된 겁니다.

(혼합 모델은 통계학에서 전체 집단안의 하위 집단의 존재를 나타내기 위한 확률 모델)

간단히 말해서, 우리가 매일 보는 물이 사실 2개의 다른 구조를 가진 물로 이루어져 있었다는 겁니다.

단 3개의 원자로 구성되어 있음에도 불구하고 다양한 복잡성을 가지고 있었던 것은 이러한 이유 때문일지도 모르겠네요.

이번의 발견은 물의 구조를 둘러싼 오랜 미해결 문제를 과학적으로 결판낼 수 있는 중요한 열쇠가 될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

 

세삼 위대한 자연의 섭리에 감탄하게 되지만 반대로 조금 혼란스러운 것도 어쩔 수 없는 것 같습니다.

 

 

2020/02/10 - [과학・ETC] - 암흑 물질의 새로운 후보, Sexaquark(섹사쿼크)

암흑 물질의 새로운 후보, Sexaquark(섹사쿼크)

2019/11/28 - [과학・ETC] - 자연계의 다섯번 째 힘의 강력한 증거가 발견되었다.

자연계의 다섯번 째 힘의 강력한 증거가 발견되었다.

2019/08/04 - [과학・ETC] - 생물처럼 움직이는 영구 액체 자석이 개발되었다.

생물처럼 움직이는 영구 액체 자석이 개발되었다.