[미국] 영하 46도 과냉각 물의 x-선 구조
미국 스탠포드대학(Stanford University) 국립가속기연구소(National Accelerator Laboratory) 안드레스 닐슨 (Anders Nilsson) 교수가 이끄는 연구진이 섭씨 영하 46도 이하로 과냉각된 액체 상태 물에 미세구조(microscopic structure) 관찰에 처음으로 성공했다. 이번 관찰 결과는 지금까지 관찰된 것 중에서 가장 낮은 온도에서 관찰된 것으로 지금까지 규명되지 못한 물에 불가사의한 성질 규명에 큰 도움이 될 것으로 전망된다.
연구진이 세계 최초로 미세구조 관찰에 성공한 영역은 물의 상평형도(phase diagram)에서 ‘무인지대(No man`s land)` 라고 불리는 영역에 해당한다. 이 영역은 액체 상태의 물 아래 위치하는 과냉각 액체 상태의 물(supercooled water)과 유리상의 물(glassy water) 사이에 존재하는 상태로, 온도를 내리다 보면 이 구간에서 빠른 속도로 얼음이 생성되기 때문에 관찰이 어려운 영역이었다.
연구진은 스탠포드선형가속기센터(Stanford Linear Accelerator Center; SLAC)가 보유하고 있는 LCLS(Linac Coherent Light Source)를 사용해 관찰에 성공했다. SLAC는 미국 에너지부 산하의 기관 중 하나로, 스탠퍼드대학이 운영하는 입자 가속기 연구소이다. SLAC는 전자 빔을 사용하는 입자물리학 이론 및 실험에 중점을 두고 있으며, 원자 및 고체 상태 물리학, 생물학, 화학, 의학 등 넓은 범위에 걸쳐 기존 학문의 한계를 넘어서려는 연구가 진행되고 있는 곳이다. 지금 까지 6명의 노벨상 수상자가 탄생하기도 한 SLAC가 보유하고 있는 LCLS는 세계 최고 수준의 강력한 x-선 레이저 광원으로 알려져 있다. 이는 원자 및 분자 수준의 관찰을 구현한 최초의 X-선 광원이기도 하다.
연구진은 이번 도전을 통해 다시 한 번 기존 학문의 한계를 뛰어 넘는 성과를 이룩함으로써 바다가 잘 얼지 않는 이유나 빙산 아래에서 물고기 등의 다른 수생 생물들이 얼어 죽지 않고 생존할 수 있는 이유에 설명하는데 필요한 실마리를 제시했다.
물은 여타의 다른 물질에서는 찾아보기 힘든 매우 독특한 성질을 많이 가지고 있다. 어는점 이하의 온도에서도 과냉각된 상태로 액체 상태를 유지하는 현상은 물에 대표적인 특이한 성질 중 하나다. 일반적으로 온도가 내려가면 대다수 물질은 부피가 감소하는데 물은 그렇지 않다. 물은 섭씨 4도 정도에서 가장 밀도가 높고, 그 이하의 온도에선 오히려 부피가 팽창한다. 때문에 물을 가득 채운 생수병을 냉동실에 넣어 얼리면 생수병이 터지게 된다.
물에 이상한 성질은 이것뿐만이 아니다. 극지방처럼 추운 지방의 강이나 바다는 추운 기후 탓에 잘 언다. 하지만 강이나 바다가 모두 어는 것은 아니다. 그 표면만 얼고, 얼음 밑에 물은 액체 상태로 남아 있으며, 오히려 얼음보다 따듯한 상태를 유지한다. 이는 찬 공기와 접촉을 통해 강물이 얼면 표면이 얼음으로 뒤덮이게 되는데, 얼음은 밀도가 액체 상태의 물보다 낮아서 뜨게 된다. 그리고 얼음은 열전도도가 매우 낮아서 얼음 밑에 물이 찬 공기에 영향을 받지 않도록 보호하는 역할을 하게 되고, 바로 이것 때문에 물 속 생물들이 살아남을 수 있는 것이다. 온도 변화에 따른 독특한 물의 밀도 변화는 바닷물의 대류와 해류 현상을 만들어내는 원동력이기도 하다.
과학자들은 오래 전부터 과냉각된 물에 미세구조 탐구에 많은 관심을 기울여 왔다. 이는 물의 독특한 성질들이 낮은 온도에서 크게 증폭되어 나타나기 때문이다. 하지만 ‘무인지대’ 라고 부르는 섭씨 영하 41도 이하 영역은 얼음 결정이 생성되는 속도가 너무 빨라서 오늘날까지도 인간이 탐구하지 못한 영역으로 남아 있었다. 연구진은 액체제트(liquid jet)로 진공상태에서 10 마이크론(micron; 1/1000 mm) 크기의 물방울을 만들었다. 이때 물방울은 천분의 1초의 짧은 순간 동안 수증기로 변하는 과정에서 증발열 때문에 섭씨 영하 46도까지 빠르게 냉각되는데, 연구진은 바로 이 순간을 입자가속기로 발생시킨 x-선 레이저로 관찰했다. 연구진이 사용한 x-선 레이저 광원은 50 펨토초(femtosecond(fs); 1000조분의 1초)에 짧은 펄스를 만들어낸다. 연구진은 이번 관찰 결과가 생명의 근간을 이루는 물질인 물의 미스터리한 성질을 밝히는데 일조를 할 것으로 기대하고 있다.
이상의 연구 성과는 네이처(nature) 저널 최신호에 게재되었다.
[참조 원문]
Ultrafast X-ray probing of water structure below the homogeneous ice nucleation temperature
J. A. Sellberg, C. Huang, T. A. McQueen, N. D. Loh, H. Laksmono, D. Schlesinger, R. G. Sierra, D. Nordlund, C. Y. Hampton, D. Starodub, D. P. DePonte, M. Beye, C. Chen, A. V. Martin, A. Barty, K. T. Wikfeldt, T. M. Weiss, C. Caronna, J. Feldkamp, L. B. Skinner, M. M. Seibert, M. Messerschmidt, G. J. Williams, S. Boutet, L. G. M. Pettersson, M. J. Bogan & A. Nilsson
Nature 510, 381–384 (19 June 2014) doi:10.1038/nature13266
[원문보기]
Flüssig bei -46 Grad: Röntgenlaser untersucht Struktur von unterkühltem Wasser
Mit dem weltstärksten Röntgenlaser hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von DESY-Wissenschaftlern erstmals die innere Struktur von Wasser erkundet, das trotz einer Kühlung auf minus 46 Grad Celsius noch flüssig ist. Die innere Ordnung von sogenanntem unterkühlten Wasser nimmt demnach mit fallender Temperatur kontinuierlich zu, wie das Team um Forschungsleiter Prof. Anders Nilsson vom US-Beschleunigerzentrum SLAC im Fachjournal "Nature" berichtet. Die Beobachtungen liefern einen ersten Einblick in ein weitgehend unkartiertes "Niemandsland" im Zustandsdiagramm von Wasser und können helfen, konkurrierende Theorien zum Verhalten von ultrakaltem Wasser näher einzugrenzen.
"Wasser ist nicht nur unverzichtbar für Leben wie wir es kennen", betont Nilsson. "Verglichen mit anderen Flüssigkeiten hat es auch ziemlich seltsame Eigenschaften." Ein Beispiel ist die sogenannte Dichteanomalie, die dafür sorgt, das gefrorenes Wasser, also Eis, leichter ist als flüssiges Wasser und schwimmt. Auf diese Weise frieren Seen und Teiche im Winter nicht komplett vom Boden bis zur Oberfläche durch, so dass Fische und andere Wasserlebewesen unter der Eisschicht überleben können. Darüber hinaus hat Wasser eine hohe Siedetemperatur, eine große Oberflächenspannung und eine hohe Wärmekapazität, verglichen mit vielen anderen Flüssigkeiten.
Normalerweise gefriert Wasser bei null Grad Celsius zu Eis. Sehr reines Wasser ohne jegliche Kristallisationskeime kann jedoch bis weit unter den Gefrierpunkt flüssig bleiben - Physiker sprechen von unterkühltem Wasser. "Forscher wissen seit langem, dass Wasser auch bei extrem kalten Temperaturen noch flüssig sein kann", erläutert Ko-Autor und DESY-Forscher Dr. Anton Barty vom Center for Free-Electron Laser Science CFEL. "Aber es ist zuvor niemals gelungen, verlässliche Strukturinformationen für flüssiges Wasser unterhalb von etwa minus 38 Grad Celsius zu gewinnen."
Denn bei derart kalten Temperaturen bleibt auch unterkühltes Wasser nur für winzige Sekundenbruchteile flüssig, bevor es plötzlich zu Eis gefriert. Eine Temperaturregion zwischen minus 38 Grad und minus 115 Grad Celsius, wo Wasser schließlich eine glasartige, nichtkristalline Form annimmt, war daher bislang ein experimentell nahezu unzugängliches "Niemandsland".
Die Forscher haben nun die ultrakurzen und extrem hellen Röntgenlaserblitze der SLAC-Forschungslichtquelle LCLS (Linac Coherent Light Source) benutzt, um dem stark unterkühlten Wasser bei bis zu minus 46 Grad in den wenigen Millisekunden vor dem spontanen Durchfrieren seine innere Struktur zu entlocken.
Dazu konstruierten sie einen speziellen Injektor, der winzige Wassertröpfchen in eine Vakuumkammer schießt. Im Vakuum verdampft Wasser von der Tropfenoberfläche, und die Verdunstungskälte kühlt den übrigen Tropfen. Über die Zeit, die vergeht, bis die Tröpfchen von einem der nur 50 Femtosekunden (billiardstel Sekunden) kurzen Röntgenlaserblitze getroffen werden, können die Wissenschaftler die Temperatur des Wassers gezielt kontrollieren. Dabei erreichten sie in diesem Experiment bis zu minus 46 Grad. "Dank der LCLS waren wir jetzt endlich in der Lage, in diese kalte Zone vorzudringen, die uns neue Informationen über die einzigartige Beschaffenheit von Wasser liefern wird", betont Nilsson.
"Je kälter die Tröpfchen waren, desto mehr hatten bereits Eiskristalle in sich. Ein nennenswerter Teil blieb jedoch komplett flüssig", berichtet Barty. "Es gibt verschiedene, konkurrierende Theorien dazu, wie Wasser sich in diesem 'Niemandsland' verhält. Unsere Ergebnisse zeigen, dass unterkühltes Wasser auf einer lokalen Skala mehr und mehr Innere Ordnung gewinnt, dass diese Veränderung kontinuierlich abläuft und sich bei tiefen Temperaturen stark beschleunigt." Diese Beobachtungen passen zu Modellen, die von einem Phasenübergang in unterkühltem Wasser von einer Flüssigkeit mit hoher Dichte zu einer Flüssigkeit mit niedriger Dichte ausgehen, der an einem kritischen Punkt bei hohem Druck stattfindet.
Diese Beobachtungen sind allerdings nur ein erster Schritt ins experimentelle "Niemandsland" des Wassers, wie die Forscher betonen. Nilsson hofft, noch deutlich kältere Temperaturen erreichen zu können, um zu testen, ob die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser an einem bestimmten Punkt gipfeln. "Unser Ziel ist, diese Dynamik so weit wie möglich zu verfolgen. Letztendlich wird uns das Verständnis der Vorgänge im 'Niemandsland' helfen, Wasser grundsätzlich unter allen Bedingungen zu verstehen."
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