"1000조 분의 1초 관측" 원자 실시간 위치 파악한다

IBS 연구진, 특수 광원으로 화학결합 전 과정 관찰

[프라임경제] 사과가 공기 중 노출돼 색상이 변하는 등 고유한 물질의 성질이 바뀌는 것은 화학반응과 관련이 있다. 원자가 결합해 분자가 탄생하는 과정은 찰나의 순간으로 관측하기 어려웠다.

김종구 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 선임연구원이 지난 24일 과학기술정보통신부 브리핑실에서 '분자가 탄생하는 모든 순간 포착 성공' 브리핑을 하고 있다. = 박지혜 기자

국내 연구팀이 세계 최초로 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정의 원자의 움직임을 관찰하는 데 성공했다.

이효철 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장 연구팀은 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰하는 데 성공했으며, 이번 성과는 25일 0시(한국시간) 국제학술지 '네이처' 온라인 판에 게재됐다. 

제1저자인 김종구 선임연구원은 지난 24일 과학기술정보통신부 브리핑실에서 '분자가 탄생하는 모든 순간 포착 성공'에 대해 브리핑을 했다. 

연구진은 펨토 초(1/1000조 초)의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스)를 이용해 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측했다. 

김 선임연구원은 "그동안 세 개의 원자로 이뤄진 분자에 대해서도 실시간으로 원자의 움직임을 직접 관측한 사례가 없었다"면서 "화학결합 분해와 화학결합 형성, 원자들의 재배치 이 세 가지 키워드를 중심으로 연구했다"고 설명했다.

앞서 연구진은 분자결합이 끊어지는 순간(2005)과 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간(2015) 분자의 구조를 원자 수준에서 관측한 바 있다. 

연구진은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체(gold trimer) 분자의 형성과정을 관찰했다. 

그 결과, 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라 한 결합이 35펨토 초 만에 먼저 빠르게 형성되고, 360펨토 초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성됨을 규명했다. 

또한, 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.

펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도. 레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 엑스선 회절 이미지를 얻고 분석함으로써 분자의 삼차원 구조를 알아낸다. ⓒ 과학기술정보통신부

김 선임연구원은 펨토 초 엑스선 회절법을 이용한 화학 반응 연구의 기대효과에 대해 설명했다.

그는 "장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과, 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스설 회절법'을 완성할 수 있었다"고 말했다.

이어 "다양한 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면, 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 기대했다.