미국 에너지부 산하 SLAC 국립 가속기 연구소의 과학자들이 화씨 영하 51에 이르는 온도에서 물 액체 구조를 최초로 탐구하는 데 성공하였다. 이 험난한 “무인지대(no-man`s land)”는 물의 기묘한 속성이 증폭하는 곳이기도 하다. SLAC 선형 가속기 광원(LCLS)의 X-선 레이저 도움으로 수행된 이 연구는 6월 18일 자 Nature 지에 발표되었다. 이 연구는 이러한 독특한 조건에서의 물 액체를 활용하고, 또한 기후나 해류, 그리고 생물학과 관련이 있는 자연적인 온도에서, 그것의 독특한 속성을 이해하는데 도움을 줄 것이다.

과학자들은 물이 극도의 낮은 온도에서도 액체를 유지할 수 있다고 알고 있지만, 그러한 영역에서의 분자 구조를 연구한 경우는 이전에 없었다. “우리가 알고 있는 물은 생활에서 필수적일 뿐만 아니라, 대부분의 다른 액체와 비교해 볼 때, 매우 기묘한 속성을 가지고 있다. 현재, LCLS의 도움으로, 우리는 이 차가운 영역으로 들어가서, 독특한 물의 특성에 관한 새로운 정보를 제공할 수 있게 되었다”고 SLAC와 스탠퍼드의 공동 연구 기관인 인터페이스 과학 및 촉매 연구를 위한 SUNCAT의 연구원인 Anderson Nilsson이 말했다. “그것의 단순한 분자 구조에도 불구하고, 물은 많은 기묘한 특성이 있다. 그것의 고체 형태는 그것의 액체 형태보다 덜 조밀한데, 이는 얼음이 왜 떠 있는지를 설명해준다. 얼음은 해류를 따라 먼 거리를 이동하기 위한 많은 양의 열을 흡수하며, 기후에 중대한 영향을 끼친다. 그리고 그것의 독특한 밀도 형성은 바다와 호수가 밑바닥까지 얼게 되는 현상을 방지하여, 겨울에도 물고기들이 생존할 수 있게끔 한다”고 Nilsson은 설명했다.

이러한 특성은 정화된 물이 과냉각될 때 증폭된다. 얼음 결정의 형성을 배제하는 것이 아무것도 없는 순순한 물의 경우, 그것은 정상보다 훨씬 낮은 온도에서도 그것은 액체를 유지한다. 영하 42도에서 172도에 이르는 온도 범위에서의 물 환경을 ‘무인 지대’라고 일컫는다. 수십 년 동안, 과학자들은 영하 42도 이하에서, 물 분자에 어떠한 일이 일어나는지를 탐험하고자 했지만, 그들은 주로 이론과 모델링에만 의존해야 했다. 현재, 1,000조 분의 1초의 X-선 레이저를 가진 LCLS를 이용하여, 연구진은 이 신비로운 지역이 얼기 바로 전의 물 분자 구조를 상세하게 관찰할 수 있는 속사 스냅 샷을 수집할 수 있었다. 이 연구는 물의 분자 구조가 이 지역으로 들어감에 따라 지속해서 변환하고, 냉각이 더해지면, 이 구조적인 변화가 이론이나 모델에서 예측했던 것보다 더 극적으로 가속한다는 것을 보여주었다.

이 실험을 위해, 연구진은 진공 챔버 내의 작은 물방울 흐름을 지속해서 생성했다. 이 물방울이 레이저 빔 쪽으로 이동함에 따라, 이들 액체 중 일부는 신속히 증발하고, 남아있는 액체를 과냉각시켰다.(우리가 땀을 흘릴 때, 냉방을 하는 것과 같은 과정이다.) 물방울이 이동하는 거리를 조정함으로써, 연구진은 그것들이 X-선 레이저 빔에 도착하는 온도를 미세 조정할 수 있었다. Nilson의 연구진은 물 형태가 유리 같은 비정질 고체로 변화는 좀 더 차가운 온도에서 연구하길 희망한다. 그들은 또한 초냉각 물이 임계점에 도달할 때, 그것의 독특한 속성이 절정에 다다르는지 아닌지와, 이러한 일이 발생하는 온도를 정확히 알고자 한다. “우리의 꿈은 우리가 할 수 있는 데로 이러한 역학을 따라가는 것이다. 무인지대에서 일어나는 물의 행동을 이해하는 것은 근본적으로 모든 조건에서의 물을 이해하는 데 도움을 줄 것”이라고 Nilsson이 말했다.

(그림 1) SLAC 선형 가속기 광원의 X-선 레이저 펄스가 초냉각된 물 방울(왼쪽 가운데)을 조사하고 있다. X-선 펄스의 속도와 밝기는 과학자들이 동결 직전의 물 분자를 연구할 수 있게 해준다.

(그림2) 왼쪽에 있는 물 분자가 초냉각될 때, 신속히 오른쪽의 피라미드 구조로 이동한다. SLAC 선형 가속기 광원의 X-선 레이저를 이용하여, 과학자들은 가속화된 변화를 관찰했다.

(그림3) 이 표는 “무인 지대”의 거친 경계를 나타낸다. 이 영역의 초냉각된 물은 빠른 얼음 형성으로 말미암아 연구하기가 어렵다. SLAC 선형 가속기 광원을 이용하여, 과학자들은 화씨 영하 51도로 들어가, 물의 독특한 속성이 증폭되는 이 신비로운 영역의 물 분자 구조를 측정하는 데 성공했다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 / 2014년 6월 24일]

These traits are amplified when purified water is supercooled. When water is very pure, with nothing to seed the formation of ice crystals, it can remain liquid at much lower temperatures than normal. The temperature range of water from about minus 42 to minus 172 degrees has been dubbed no-man's land. For decades scientists have sought to better explore what happens to water molecules at temperatures below minus 42 degrees, but they had to rely largely on theory and modeling.

Now the LCLS, with X-ray laser pulses just quadrillionths of a second long, allows researchers to capture rapid-fire snapshots showing the detailed molecular structure of water in this mysterious zone the instant before it freezes. The research showed that water's molecular structure transforms continuously as it enters this realm, and with further cooling the structural changes accelerate more dramatically than theoretical models had predicted.

For this experiment, researchers produced a steady flow of tiny water droplets in a vacuum chamber. As the drops traveled toward the laser beam, some of their liquid rapidly evaporated, supercooling the remaining liquid. (The same process cools us when we sweat.) By adjusting the distance the droplets traveled, the researchers were able to fine-tune the temperatures they reached on arrival at the X-ray laser beam.

Nilsson's team hopes to dive to even colder temperatures where water morphs into a glassy, non-crystalline solid. They also want to determine whether supercooled water reaches a critical point where its unusual properties peak, and to pinpoint the temperature at which this occurs.

"Our dream is to follow these dynamics as far as we can," Nilsson said. "Eventually our understanding of what's happening here in no-man's land will help us fundamentally understand water in all conditions."

[원문출처 : http://phys.org/news/2014-06-scientists-dip-mysterious-no-man.html]