과학자들은 마침내 고체와 액체를 모두 지닌 물의 숨겨진 상태를 포착했습니다.

일본 과학자들은 "사전 용융 상태"라고 불리는 새로운 밀폐된 물의 상태를 발견했습니다. 출처: Shutterstock

지구상에서 가장 친숙한 물질 중 하나임에도 불구하고, 물은 과학자들이 여전히 이해하기 위해 노력하는 많은 비밀을 품고 있습니다. 특정 단백질, 미네랄, 또는 인공 나노물질과 같이 극히 작은 공간에 갇혀 있을 때, 물은 액체 상태일 때와는 매우 다른 방식으로 작용합니다. 이러한 가둠 효과는 세포막을 통한 이온 흐름 조절 및 나노유체 시스템의 특성을 포함한 여러 자연 및 기술적 과정에 매우 중요합니다.

흥미롭지만 잘 이해되지 않는 한정된 물의 상태 중 하나는 '용융 전 상태'입니다. 이 독특한 상태에서 물은 마치 어는점과 녹는점이 동시에 존재하는 것처럼 행동하여 단순한 액체 또는 고체 분류를 거부합니다. 그러나 용융 전 상태와 기타 한정된 물의 역학을 자세히 연구하는 것은 어려운 것으로 나타났습니다. 회절법(예: X선 분석)과 같은 기술은 수소 이외의 원자 위치를 정확히 파악하는 데 유용하지만, 수소의 피코초 단위 회전 운동과 개별 물 분자의 운동을 포착하기에는 민감도가 부족합니다.

최근 연구에서 일본 도쿄과기대 화학과의 마코토 타도코로 교수와 후미야 고바야시 강사, 그리고 박사과정 1학년생 나미키 토모야 씨가 이끄는 연구팀은 한정된 물의 미스터리에 새로운 빛을 던졌습니다. 2025년 8월 27일 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society) 에 온라인으로 게재된 이 논문 은 정적 고체 중수소 핵자기공명(NMR) 분광법을 사용하여 분자 결정의 친수성 나노기공 내에 한정된 물의 계층적 동역학을 관찰하고, 물에서 관찰된 새로운 상인 용융 전 상태를 규명했습니다.

실험을 수행하기 위해 연구팀은 약 1.6nm 직경의 나노기공을 포함하는 준일차원 채널을 갖는 육각형 막대형 결정을 생성하고 중수(D2O)로 채웠습니다 . 실온에서 {[Co(D2bim)3](TMA).20D2O}n 단결정의 NMR 스펙트럼을 측정하여 연구진 은 포함 된 물 분자 에 계층적 3 층 구조가 존재함을 확인할 수 있었습니다. 스펙트럼에서 관찰된 고유한 피크는 갇힌 물의 서로 다른 움직임과 수소 결합 상호 작용을 가진 모든 층 구조에 해당하여 다층 조직의 명확한 증거를 제공했습니다. 또한 나노기공에 갇힌 물은 벌크 얼음과 다른 구조로 얼고 먼저 왜곡된 수소 결합 구조를 통해 녹아서 용융 전 상태를 형성합니다.

용융 전 상태에 대한 통찰력을 얻기 위해 연구진은 결정을 저온에서 서서히 가열하여 물을 동결 상태에서 액체 상태로 만들었습니다. 그들은 NMR 스펙트럼에서 뚜렷한 변화를 관찰하여 용융 전 상태로의 상전이를 확인했고, 측정 결과 상반되는 것처럼 보이는 두 가지 상태가 존재함을 발견했습니다. 타도코로 교수는 " 용융 전 상태는 가열 과정에서 완전히 동결된 얼음 구조가 녹기 시작하기 전에 불완전하게 수소 결합된 H2O 가 녹는 것을 포함합니다. 이는 본질적으로 동결된 H2O 층과 천천히 움직이는 H2O 가 공존하는 새로운 물의 상태를 구성합니다."라고 설명했습니다.

연구진은 이 새로운 상(phase)에서 중수 분자의 회전 운동성을 정량화하기 위해 스핀-격자 완화 시간을 측정했습니다. 용융 전 상태의 활성화 에너지는 얼음 덩어리의 활성화 에너지와는 거리가 멀었지만, 상관 시간은 액체 물 덩어리의 활성화 에너지와 놀라울 정도로 유사했습니다. 간단히 말해, 이는 물 분자의 위치가 고체에서 예상할 수 있듯이 상대적으로 고정되어 있는 반면, 회전 운동은 매우 빠르고 액체와 유사하다는 것을 의미합니다.

이러한 연구 결과를 종합하면, 극한 환경에서 물이 어떻게 작용하는지에 대한 더욱 포괄적인 이해를 구축할 수 있습니다. 물과 이온이 생물학적 단백질과 막을 어떻게 투과하는지 이해하는 데 중요한 구조적, 동적 측면을 명확히 밝혀냅니다. 앞으로 이러한 통찰력은 실질적인 혁신으로 이어질 수 있습니다. 타도코로 교수는 " 새로운 얼음 네트워크 구조를 생성함으로써 수소와 메탄과 같은 고에너지 기체를 저장하고 인공 가스 하이드레이트와 같은 수계 물질을 개발할 수 있을 것 "이라고 말했습니다. 얼음 구조를 기반으로 물의 결빙 특성을 제어하면 새롭고 저렴하며 안전한 수권 물질을 개발할 수 있습니다.

전반적으로 이 연구는 물과 같이 흔한 물질조차도 아직 풀리지 않은 근본적인 비밀을 품고 있다는 것을 보여줍니다.

본 연구는 일본 문부과학성의 JSPS KAKENHI 과학연구지원금(B) JP23K26672 및 JSPS KAKENHI 신진연구자지원금 JP23K13767의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250922074936.htm