분자가 탄생하는 모든 순간 포착…펨토초 수준 관찰 성공

[아이뉴스24 최상국 기자] 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 원자가 결합해 분자가 만들어지는 모든 과정을 세계 최초로 관찰했다고 발표했다.

이 연구팀은 지난 2005년 분자결합이 끊어지는 과정을 밝히고(Science), 2015년에는 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간을 관측(Nature)한 바 있다. 이번에는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정을 펨토초(1천조 분의 1초) 수준에서 관찰하는 데 성공했다. 연구결과는 25일 0시 네이처 온라인에 게재됐다.(논문명 : Mapping the emergence of molecular vibrations mediating bond formation)

연구진은 원자가 결합해 분자가 탄생하는 찰나의 순간을 관측할 수 있는 새로운 기법을 개발하고, 세 개의 금(金) 원자로 이뤄진 금 삼합체(gold trimer) 분자의 형성과정을 관찰했다.

그 결과, 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합 중에서 하나의 결합이 35 펨토초 만에 빠르게 형성된 뒤 360 펨토초 뒤에 나머지 결합이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 기존 이론은 두 화학결합이 동시에 형성된다고 추정했었다. 또한 화학결합이 형성된 후에는 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 '대칭 진동 운동'을 하는 것도 관측했다.

펨토초 수준에서 원자의 움직임을 관찰할 수 있게 된 것은 포항가속기연구소의 선형 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)가 제공하는 특수 광원과 연구진이 개발한 새로운 실험기법이 결합한 결과다.

연구진은 포항 가속기의 X-선 자유전자레이저(XFEL)의 펨토초 엑스선 펄스를 활용해 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법(펨토초 엑스선 회절법)과 구조 변화 모델링 분석기법을 개발했다.

XFEL에서 생성되는 펨토 초 엑스선 펄스를 반응 중인 분자에 조사해 얻어지는 엑스선 회절신호를 분석해 특정 순간 분자의 구조를 알아내는 방식이다. 이렇게 얻어진 분자의 구조를 시간 순서로 나열하게 되면 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측할 수 있다.

이효철 교수는 "이전에는 주로 일본 방사광가속기를 이용했으나 포항에 4세대 가속기가 완공되면서 더욱 안정적인 광원을 활용할 수 있게 됐다"고 설명했다.

물질을 이루는 기본 단위인 원자들이 화학결합을 통해 분자를 구성하는 과정을 밝히는 것은 화학반응을 이용하는 모든 연구의 기초다. 각 원자들이 어떻게 진동하며 움직이는지가 화학반응의 메커니즘을 결정하기 때문이다. 하지만 그 과정은 수 펨토 초에 불과할 정도로 순식간에 일어나는 일이어서 포착하기 어렵다. 단백질과 같은 수천 개의 원자로 이뤄진 분자는 물론, 이번 실험처럼 고작 3개의 원자로 이뤄진 분자에서도 화학결합을 형성하는 원자들의 실제 움직임을 관찰한 경우는 없었다.

연구진은 앞으로 금 삼합체처럼 비교적 단순한 분자뿐만 아니라 더 복잡한 유기, 무기 화합물과 거대 분자의 반응 과정을 원자 수준으로 볼 수 있는 단계까지 발전시켜 나갈 계획이다. 이를 통해 단백질과 같은 수천 개의 원자로 이뤄진 복잡한 분자의 반응 메커니즘까지도 상세히 규명할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

제1저자인 김종구 선임연구원은 “장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과, 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 ‘펨토초 엑스선 회절법’을 완성할 수 있었다”며 “앞으로 다양한 유·무기 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면 효율이 좋은 촉매, 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 포부를 밝혔다.

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