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잘 모른다 : 음펨바 효과

- 물은 cluster 형태의 거대분자다
- 물의 비중은 4'C에서 가장 높다
- 비중이 높은 상태는 Compac한 상태다


뜨거운 물이 찬물보다 먼저 언다?… 과학계, 50년 논쟁 중
이영완 과학전문기자 : 조선일보 2017.1.11

1963년 아프리카 탄자니아의 13세 소년 음펨바는 아이스크림 조리 수업 중 뜨거운 우유를 식히지 않고 그대로 냉동실에 넣었다. 나중에 보니 식힌 우유를 쓴 다른 친구보다 음펨바의 아이스크림이 더 빨리 얼었다. 음펨바는 6년 뒤 대학 교수와 함께 이 내용을 논문으로 발표했다. 이후 온도가 높은 물이 낮은 물보다 먼저 어는 일을 '음펨바 효과'라고 부른다.

 

미국 남부감리교대학의 디터 크레머 교수는 지난달 국제 학술지 '화학 이론과 계산'에 음펨바 효과를 설명할 새 이론을 제시했다. 물 분자에서 산소 원자는 수소 원자 둘과 전자를 같이 쓰는 공유결합을 한다. 또 물 분자의 산소는 다른 물 분자의 수소와 전기적 성질 차이에 따른 수소결합을 한다. 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션에서 찬물에는 약한 수소결합과 강한 수소결합이 공존하지만 온도가 높으면 대부분이 강한 수소결합임을 확인했다.
크레머 교수는 온도가 높아지면 약한 수소결합이 깨지면서 물 분자들이 다시 정렬을 하게 되고, 이 상태에서 온도를 영하로 확 낮추면 얼음의 결정 구조가 쉽게 만들어진다고 설명했다. 반면 찬물은 일단 약한 수소결합부터 그대로 존재하고 있기 때문에 더운물보다 얼음 결정 생성이 늦다는 말이다.
음펨바 효과는 기원전 4세기 아리스토텔레스도 언급할 만큼 역사가 오래됐다. 지금껏 나온 과학적 설명도 다양하다. 어떤 사람은 온도가 높으면 물이 더 빨리 증발하고 그만큼 질량이 줄어 냉각이 빠르다고 설명한다. 더운물은 찬물보다 밀도 차이에 따라 이동하는 대류가 활발해 그만큼 외부로의 열전달이 빨라진다는 설명도 있다.
2012년 영국 왕립화학회는 1000파운드(약 140만원)의 상금을 걸고 음펨바 효과를 설명할 과학 이론을 공모했다. 당시 2만2000여명이 응모해 크로아티아 자그레브대학의 니콜라 브레고비치 교수가 1위를 차지했다. 그는 유엔식량농업기구(FAO) 직원이 된 음펨바로부터 직접 상을 받았다.
브레고비치 교수는 대류 현상과 함께 찬물이 더운물보다 먼저 온도가 섭씨 0도 이하로 떨어지지만 얼음이 얼지 않는 과냉각(過冷却) 현상이 원인이라고 주장했다. 그 사이 더운물이 먼저 얼음이 된다는 것. 이듬해 싱가포르 난양공대 연구진은 더운물이 온도가 내려가면 눌려 있던 용수철이 펴지듯 물 분자의 공유결합 간격이 길어지면서 찬물보다 에너지를 더 빨리 발산한다고 발표했다.

◇부분 보고 전체 판단하는 오류

물론 음펨바 효과를 인정하지 않는 과학자도 많다. 미국 워싱턴대의 조너선 카츠 교수는 이번 수소결합 논문에 대해 "물은 수십 분, 수시간에 걸쳐 얼기 때문에 그 사이에 깨어진 약한 수소결합이 복구된다"고 반박했다. 이덕환 서강대 교수(화학과)는 "아주 짧은 시간에 일어나는 수소결합의 붕괴로 천천히 진행되는 물의 냉각을 설명할 수 없다"고 말했다.
영국 케임브리지대의 헨리 버리지 교수는 지난해 11월 '사이언티픽 리포트'에 음펨바 효과를 설명한 논문들이 모두 과학적 근거가 없다고 발표했다. 대부분 다섯 번 실험해서 한두 번 음펨바 효과를 확인하는 데 그쳤다는 것. 그나마 실험 조건도 논문마다 제각각이었다고 비판했다. 이를테면 음펨바가 1969년 발표한 논문에서는 90도의 물과 35도의 물을 비교했는데, 나중에 나온 논문들은 35도와 5도의 물에서 음펨바 효과가 나온다고 했다. 강헌 서울대 교수(화학부)는 "음펨바 효과는 과학적 사실과 일상적인 현상을 혼동하는 오류"라며 "왼손잡이 미국인 친구를 보고 미국인은 모두 왼손잡이라고 주장하는 것과 같다"고 말했다.
과학적 논란에도 한 소년의 호기심이 과학 논쟁으로까지 이어진 이야기는 여전히 흥미롭다. 음펨바 효과를 정면 반박한 버리지 교수도 지난달 영국 왕립화학회의 '케미스트리 월드'지 인터뷰에서 "음펨바의 놀라운 이야기는 다음 과학자 세대에게도 계속 영감을 제공할 것"이라고 말했다.


이덕환의 과학세상] (271) 음펨바 효과
디지털타임스 | 입력 2010.07.15 08:31

냉장고에 따뜻한 물을 넣어두면 차가운 물보다 더 빨리 어는 경우가 있다. 일반 상식과는 도대체 맞지 않는 일이지만 얼음을 얼릴 수 있는 냉장고만 있으면 누구나 쉽게 관찰할 수 있는 분명한 자연 현상이다. 음펨바는 1969년에 그런 현상을 처음 물리학계에 알려준 탄자니아의 고등학생 이름이다. 자연 현상에 학생의 이름이 붙여진 드문 경우인 셈이다.
물론 펄펄 끓는 물이 얼음처럼 차가운 물보다 빨리 어는 것은 아니다. 섭씨 35도 정도의 따뜻한 물과 섭씨 5도 정도의 시원한 물을 비교해보면 그렇다는 뜻이다. 물론 물을 담는 그릇의 재질이나 모양, 그리고 물의 양이 같아야 한다. 음펨바 효과가 순수한 물에서만 나타나는 것도 아니다. 음펨바가 처음 관찰했듯이 설탕을 녹인 우유에서도 나타난다.
그런데도 음펨바 효과는 우리에게 매우 낯설고 생소한 현상이다. 음펨바 효과를 소개한 교과서는 찾아보기 어렵고, 과학 상식으로 소개되는 경우도 드물다. 사실 1963년에 교실에서 아이스크림을 만드는 실험을 하던 중에 우연히 관찰하게 된 현상에 대해 끈질기게 질문을 던졌던 에라스토 음펨바가 최초의 발견자도 아니었다.
아리스토텔레스도 음펨바 효과를 알고 있었고, 그럴듯한 방법으로 설명도 했다. 어떤 성질이 주변의 성질과 반대가 되면 그 성질이 더욱 강화된다는 소위 `반(反)주변성'(antiperitasis) 때문이라고 했다. 바싹 마른 옷은 습한 곳에서 쉽게 축축해지고, 추운 겨울에 우물물이 따뜻하게 느껴지는 것과 같은 이유 때문이라는 것이다. 아리스토텔레스는 천둥과 번개도 반주변성 때문이라고 주장했다. 물론 현대 과학의 입장에서는 말도 안 되는 엉터리 설명이었다.
13세기의 철학자 로저 베이컨도 그런 사실을 알고 있었고, 근대 철학의 아버지로 알려진 17세기의 르네 데카르트도 그 이유를 궁금하게 여겼다. 음펨바 효과는 자연에 관심을 가지고 있던 철학자들이 적어도 2000년 이상 이유를 알고 싶어했던 문제 중 하나였던 셈이다. 다만 철학자들이 드러내놓고 논의할 필요성을 느끼지 않았을 뿐이다. 현실적으로 쓸모가 있는 자연 현상은 아니라고 생각했기 때문이었을 것이다.
1969년에 학술 논문을 통해 공식적으로 음펨바 효과가 알려진 후에도 상황이 크게 달라지지 않았다. 음펨바 효과에 대한 현대 과학적 연구는 아직도 초보적인 수준에 머물고 있다. 증발, 대류, 열전도 등 여러 가지 열역학적 이유가 복합적으로 작용한 결과라고 추정을 하고 있을 뿐 속 시원한 설명은 찾아내지 못하고 있다. 물에 녹아있는 질소나 이산화탄소 등의 기체 불순물 때문이라는 주장도 있지만 실험적으로 분명하게 확인하지는 못했다.
음펨바 효과는 물이 얼어서 얼음이 되는 것처럼 일상적인 현상이 사실은 이론적으로 얼마나 어렵고 힘든 문제인지를 확인시켜주는 예가 되고 있다. 액체의 물이 어디에서나 균일하다고 생각하는 것이 문제다. 온도, 밀도, 열전도도를 비롯한 평균값을 이용한 방법으로는 만족스러운 답을 얻을 수 없다. 물이 어는 것처럼 단순한 자연 현상에도 놀라운 수준의 복잡성이 포함되어 있다는 것이 오늘날 우리가 현대 과학을 통해 얻는 새로운 깨달음이다.
음펨바 효과가 세상에 다시 모습을 드러내게 된 과정에서 얻을 수 있는 교훈도 있다. 음펨바에게 과학을 가르치던 교사는 음펨바의 관찰을 그저 `착각' 때문이었다고 하찮게 여겨 버렸다. 그러나 음펨바는 포기하지 않았다. 훗날 자신의 학교를 찾아온 데니스 오스본이라는 물리학자에게 자신의 경험을 설명하고 이유를 물었던 끈기 덕분에 자신의 이름을 남길 수 있었다. 그렇다고 모든 학생들에게 음펨바를 본받으라고 할 수도 없는 일이다. 그를 본받는다고 과학자가 되는 것도 아니고, 모두가 과학자가 돼야 할 이유도 없다.


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같은 냉각 조건에서 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 얼음이 되는 '음펨바 현상'(Mpemba Effect)의 비밀이 50년만에 풀렸다.

2013.11. 3일 타임지 등 주요 외신에 따르면 지난달 24일 싱가폴 남양이공대학 쑨장칭, 시장 교수 연구팀은 음펨바 현상의 원인을 수소결합과 공유결합의 상관관계에서 찾은 연구결과를 발표했다.
각각의 물 분자(H2O)들은 포함된 산소와 수소 원자 사이에서 수소결합이 발생한다. 남양이공대 연구팀은 이 수소결합이 문 분자의 에너지 축적과 방출에도 관여한다는 사실을 입증했다.
연구팀은 물 분자 사이 수소결합으로 인해 하나의 물 분자를 이루고 있는 각각의 수소 원자, 산소 원자의 공유결합은 분자들을 가까이 붙일 때 길어지며 에너지를 축적한다는 사실을 밝혀냈다. 이후 물을 끓이면 물 분자 사이 간격이 벌려지면서 수소결합 역시 길어진다.
이렇게 끓인 물을 냉각할 때는 공유결합 길이가 다시 줄어들면서 축적했던 에너지를 방출하게 된다. 뜨거운 물은 축적된 에너지 양이 많아 냉각시 더 빠른 속도로 에너지를 방출하게 되는 것이다.
연구팀은 각각의 물 초기 온도를 다르게 한 뒤 냉각시 에너지 방출량을 측정하는 방식으로 음펨바 효과를 입증했다. 쑨장칭 교수는 "물이 에너지를 방출하는 과정과 그 (에너지방출)비율은 본질적으로 각각의 물이 지닌 초기 에너지 상태(온도에 따른 분자 간격)에 따라 달라진다"고 설명했다.