국가연구개발성과

연구보고서
물의 특이한 성질들에 대한 그 구조적 연구 (Revealing the structural origin of the water’s anomalous properties)

상세데이터 조회
등록번호 TRKO202400007879 발행년월 2024-03
발행기관명 포항공과대학교 발행국가/사용언어 대한민국 /국문
발주기관 한국연구재단 과제관리(전문)기관 한국연구재단
키워드 물의 특이성;액체-액체 임계점;액체-액체 전이;X선 자유전자 레이저;시간분해 X-선 회절;
Anomalous properties of water;Liquid-Liquid critical point;Liquid-Liquid transition;X-ray free electron laser;Time-resolved X-ray scattering;
초록
□ 연구개요
물은 생명, 물리, 화학 현상 등에 있어 가장 중요한 물질이기 때문에 물을 정확히 이해하는 것은 연구,산업, 사회 등 모든 측면에서 매우 중요하다. 물은 다른 액체와 구분되는 많은 변칙적인 특성(anomalous properties)을 나타내지만, 이러한 물의 변칙적 특성이 무엇으로부터 기인되었는지에 대해서는 아직까지도 엄청난 논쟁이 오가고 있다. 물의 변칙적 특성에 대한 근원을 설명하기 위해 액체-액체 임계점 (LLCP) 모델이 제안되었으나, 이러한 모델에 대한 연구에 따르는 어려움 때문에 직접적인 실험적 증거가 부족하여 여전히 극심한 논란은 해결되지 않고있다. 본 연구에서는 극한 상태 과냉각수를 생성할 수 있는 실험적 방법과 최근 가동을 시작한 강력한 4세대 가속기를 함께 사용하여 LLCP를 직접적으로 증명할 수 있는 새로운 실험 결과를 얻음으로써, 물의 anomalous properties의 근원에 대한 확실하며 더 포괄적인 그림을 제시하고자 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구개발과제에서는 ‘from the top’과 ‘from the bottom’이라는 두 가지 핵심 아이디어를 바탕으로 (1) 극한 과냉각수에서의 온도 변화 측정을 통한 물의 특이성 연구와 (2) 비결정성 얼음의 초고속 가열을 통한 LLCP의 실험적 측정을 목표로 하였다.
(1) 극한 과냉각수에서 온도 변화 측정을 통한 물의 특이성 연구를 수행하기 위해서, 극한 과냉각 증발 냉각 장비를 성공적으로 구축하였다. 이를 활용한 시간분해 비등방성 회절 실험을 통해 극한 과냉각수에서 동역학적 특성이 온도에 따라 변칙적인 특성을 보임을 성공적으로 관측하였다.
(2) 비결정성 얼음의 초고속 가열을 통한 LLCP의 실험적 측정 연구를 수행하기 위해서 비결정성 얼음 형성 장비를 성공적으로 구축하였다. 비결정성 얼음에 짧고 강한 적외선 레이저를 조사하는 기법을 활용하여 고압 과냉각 물에서의 액체-액체 전이를 세계 최초로 실험적으로 관측하는데 성공하였다. 이는 LLCP의 존재에 대한 직접적인 실험적 증거로, 그 결과를 세계최고 학술지 중 하나인 Science지에 발표하였다. 또한 저밀도 비결정성 얼음의 극초단 가열을 통해 과냉각 물의 액체-액체 전이를 실험적으로 관측하여 LLCP의 두 번째 실험적 증거를 제시하였다. 그 외에도, 초고속 레이저의 가열 이후 비정질 얼음의 결정화 과정을 관찰하였으며, 시간분해 X선 산란 기법을 활용해 얼음의 융해 영역의 크기와 재결정 동역학을 밝힐 수 있었다.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
물의 여러 특이한 성질들의 그 구조적 근원을 잘 설명하는 LLCP 모델이 오래 전에 제안되었지만 아직 실험적으로 관찰되지 않았기 때문에, 그에 관련된 극심한 논쟁은 오랫동안 지속되어 왔다. 본 연구를 통해 세계 최초로 물의 LLT의 존재를 실험적으로 증명함으로써 LLCP 모델의 증거를 학계에 제공하였다. 또한 물은 많은 화학 반응, 생명현상에서 중요한 용매로 작용하며 수소 결합 네트워크에서 중요한 역할을 하므로, 제안된 연구의 결과는 수많은 분야에 큰 파급효과를 가질 것으로 생각된다.
거대 가속기 설비를 사용하는 연구 분야에서는 국제 공동 연구의 중요도가 높으며 이 때문에 국제 공동 연구가 매우 일반적이고 활발하게 진행되고 있다. 본 연구개발 과제는 전 세계의 4세대 가속기(PAL-XFEL, European XFEL, SwissFEL, SACLA)를 활용하여 수행되었으며, 각국의 연구진과 긴밀한 협력을 바탕으로 수많은 실험을 성공적으로 진행하였다. 그 과정에서 국제 공동 연구에 필수적인 인적 네트워크를 형성하는 부수적인 성과를 거둘 수 있었다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

NTIS에서 제공하는 본 정보는 국가연구개발사업 수행을 통해 발생한 연구보고서를 과제관리(전문)기관을 통해 연구성과 전담기관(KISTI)에 등록된 정보를 제공하고 있으며, 연구보고서 정보 공개/비공개 여부, 연구보고서 원문 활용 여부 등은 해당 과제관리(전문)기관에 문의하시기 바랍니다.

NEW
관련 정보