분자가 탄생하는 순간을 보다

- 네이처誌 게재, 특수 광원 이용해 원자 간 화학결합 실시간 관측 성공 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 이효철 그룹리더(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 세계 최초로 원자끼리 만나 분자를 이루는 화학결합의 순간을 실시간으로 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

◦ 연구진은 화학결합의 순간포착을 위해 평소에는 가까운 곳에 흩어져 있다가 레이저(빛)를 쏘아주면 반응하여 화학적으로 결합하는 성질이 있는 금 삼합체(gold trimer)1)를 실험모델로 삼았다.

◦ 화학결합이 이뤄지는 1조분의 1초의 찰나를 관측하기 위해 펨토초(1천조분의 1초) 엑스선 펄스2)라는 특수 광원을 이용하여 광반응에 따른 금 삼합체 원자의 구조 변화를 엑스선 회절3) 이미지로 구현해 냈다.

◦ 2005년 분자결합이 끊어지는 과정을 밝히고 사이언스(Science)에 논문4)을 게재했던 이효철 그룹리더는, 이후 10년 만에 분자의 결합이 이뤄지는 과정까지 관측함으로써 화학반응의 시작과 끝을 밝혀내는 쾌거를 이루게 됐다.

◦ 향후 연구진은 펨토초 엑스선 회절법을 단백질의 탄생 순간과 단계별 구조 변화를 밝히는 데 적용할 계획이다. 이를 통해 단백질 반응의 제어, 질병 치료, 신약 개발 등에 필요한 기초정보 제공이 가능할 것으로 기대하고 있다.

□ 이번 연구 결과는 세계 최고권위의 저널인 네이처(Nature, IF 42.351)誌 2월 18일자(영국 현지시각 2.18. 12:00)에 게재됐다.

* (논문제목) 펨토초 엑스선 회절법을 이용한 용액상 화학결합 형성의 관측
(Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering)

* (공동 제1저자) 김경환 IBS 나노물질 및 화학 반응 연구단 연구원, 김종구 KAIST 화학과 박사과정생

* (교신저자) 이효철 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더(KAIST 화학과 교수)

□ 연구진은 모든 화학반응의 근본이 되는 원자 간 결합을 관측하기 위해 특수한 광원과 화합물을 이용했다.

◦ 원자의 지름은 1옹스트롬(1억분의 1센티미터)이고 화학결합의 순간은 1조분의 1초 정도여서 원자를 감지하려면 빛의 파장이 원자 수준으로 짧아야 하고, 빛의 시간 길이는 원자 간 결합의 순간보다 짧아야 하는데 이를 만족하는 광원이 엑스선 자유전자 레이저5)에서 얻어지는 펨토초 엑스선 펄스이다.

◦ 레이저 기술과 엑스선 회절법 기술을 결합한 펨토초 엑스선 회절법6)을 이용하면 빠른 분자의 움직임을 정확한 위치 정보와 함께 측정할 수 있고, 이 방법을 이용하여 금 삼합체 내부의 금 원자들 사이에서 화학결합이 형성되는 순간을 실시간으로 관측할 수 있었다.

□ 이효철 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더는 “펨토초 엑스선 회절법을 통해 화학결합의 관측 외에도 펨토초 시간대의 분자의 진동, 회전 등을 관측할 수 있을 것”이라며, “이번 연구 과정에서 축적한 기술과 경험을 바탕으로 국내 연구진이 세계 과학계의 흐름을 주도해 나아가기를 바란다.”고 밝혔다.