우리는 물에 대해 얼마나 알고 있을까?

(*이 포스팅의 내용은 『물의 과학』에서 요약한 것입니다.)

ⓒGetty Images Bank

물은 생명의 중심입니다. 우리는 물에 대해 얼마나 알고 있을까요? 부피로 보았을 때 우리 세포의 약 3분의 2는 물이며, 분자의 수로 따지면 몸의 99퍼센트가 물 분자로 이루어져 있습니다. 물이 존재하지 않는 세상을 상상하기는 힘들거예요.

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우리는 물이 고체인 얼음, 액체인 물, 기체인 수증기 이렇게 세 가지 상으로 존재한다고 알고 있습니다. 하지만 이 세 가지 상만으로는 다양한 물의 현상을 만족스럽게 설명할 수 없습니다.
그래서 물 과학자 제럴드 폴락(Gerald H. Pollack)은 고체와 액체의 중간 형태인 ‘배타 구역’이라는 네 번째 상을 제시합니다.

여기서 잠깐!!
배타 구역(exclusion zone, EZ)이란
도대체 뭘까요?

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다양한 물체의 주변에서 형성될 수 있는 물의 구역으로, 예상보다 폭넓게 분포한다. 가끔 물의 네 번째 상(water’s fourth phase)으로 불리기도 한다. 물의 네 번째 상에 ‘배타 구역’이라는 이름이 붙은 이유는, 다른 물질과 잘 섞이는 일반적인 물과 달리 다른 물질을 배제하는(exclusive) 성질이 있기 때문이다. 일반적인 물은 전기적으로 중성이지만 배타 구역의 물은 음성을 띤다. 배타 구역은 일반적인 물보다 안정하고 조직화되어 있다. 배타 구역의 형태는 액체와 고체의 중간으로, 얼음처럼 딱딱하지 않으며 마치 점성이 높은 액체처럼 행동한다.

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쉽게 말해 배타 구역을 삶지 않은 계란의 흰자와 흡사한 물리적 성질을 가진 액체 결정(끈적끈적한 물이나 겔gel)이라고 기술하는 것이 아마도 가장 정확할 것 같은데요. 앞으로 『물의 과학』 포스트에서 다양한 현상을 통해 '배타 구역'을 설명하고자 합니다.

기저귀는 자신의 무게보다 50배가 넘는 오줌과 800배가 넘는 물을 담을 수 있다고 한다.

오늘은 우리 주변에서 관찰할 수 있는 미스터리한 현상들 중에 하나를 소개해볼까 합니다.
기저귀는 많은 양의 물을 담을 수 있다고 하는데요. 기저귀는 어떻게 물을 잡고 있는 걸까요? 이것은 배타 구역과 삼투 원칙을 통해 알아볼 수 있습니다.
물의 흡수는 겔 혹은 기저귀의 마른 친수성 그물망에 물이 노출되면서 시작됩니다. 단순히 물이 그물망을 차지하는 것으로 상황이 종료되지는 않는데 그것이 그물망을 확장시키기 때문입니다. 몇 초 후 혹은 몇 분 후 이 그물망은 팽창하는데 물이 고체를 향해 흘러가기 때문에 여기서 삼투 현상이 뚜렷이 관찰되는거죠. 어떻게 이렇게 과량의 물이 흘러갈 수 있을까요? 마른 겔을 물에 집어넣으면 표면의 그물망층과 돌출한 중합체 선이 즉시 물에 접촉하게 되는데요. 배타 구역이 만들어지는 것입니다. 또 배타 구역의 외부에서 히드로늄 이온이 축적됩니다. 만약 이 기질이 음전하를 가지고 있다면 히드로늄 이온은 기질 내부로 돌진하고요.

식당에서 종종 볼 수 있는 건조한 코인티슈. 물을 부으면 젖은 물티슈로 변한다. 이 또한 삼투에 의한 끌림 현상으로 볼 수 있다.

생각해봅시다. 기저귀 기질내로 침투해 들어오는 물이 보다 많은 배타 구역층이 만들어질 때 그 질료가 됩니다. 유입되는 에너지로부터 배타 구역이 형성되기 때문에 그들은 양성자를 방출하고요. 양성자와 결합한 물은 기질 내부로 더욱 깊숙이 들어오며 보다 많은 물을 끌어들입니다. 이런 일이 반복되면서 겔 전체가 물로 꽉 채워지겠죠? 그때쯤 되면 모든 기질 표면이 엄청난 양의 배타 구역을 갖게 됩니다. 그 사이사이 빈틈에는 양성자가 듬뿍 함유된 일반적인 물이 채워 들어가고요.
삼투에 의한 물의 유입을 최종적으로 막는 힘은 어디에서 나오는 것일까요? 꽉 채워진 겔도 여전히 음으로 대전되어 있기 때문에 기질-전하의 중화는 확실히 아닙니다. 미세 전극을 이런 겔에 집어넣으면 여전히 음의 전위를 가진다는 사실을 저절로 알게 됩니다. 따라서 기질이 팽창되었다고 해도 여전히 히드로늄 이온을 끌어당길 능력을 갖고 있는 것이죠.
이렇게 얘기하면 겔이 한도 끝도 없이 팽창될 것 같지만 물리적인 제약이 이들 확장의 한계를 그어버립니다. 탄력성이 있는 그물망은 그 한계에 도달할 때까지 엄청난 양의 물을 보관할 수 있습니다. 부풀 대로 부푼 그물망은 이제 더 이상의 물을 감당할 수 없게 되는데 물리적 한계와 삼투가 끌어들이는 힘이 균형을 맞추는 때가 바로 그 순간입니다. 이 단계에 다다르면 겔은 많은 양의 배타 구역 물을 포함하게 됩니다. 배타 구역 사이사이의 공간에는 히드로늄 이온이 꽉 들어차 있게 되고요. 이들 양성자와 결합한 물은 음으로 대전된 배타 구역에 들러붙고 압력이 넘쳐날 때까지 겔에 붙들려 있게 되는 것이죠.
기저귀가 많은 물을 흡수할 수 있는 이유, 알게 되셨나요? '95퍼센트 이상이 물로 된 푸딩은 어떻게 흐르지 않고 뭉쳐 있는 걸까?’ 도 비슷한 원리로 설명할 수 있겠네요.