기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 원자가 결합하여 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했다.

연구진은 펨토 초(1/1,000조 초)의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스^*)를 이용하여 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는데 성공했다.
* 펄스는 짧은 시간동안 만 빛이 방출되는 형태로, 펨토 초 엑스선 펄스는 X선이 펄스의 형태로 생성되고 그 시간 길이가 펨토 초 정도일 때를 말함

과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)誌 온라인 판에 6월 25일 0시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

물질을 이루는 기본 단위인 원자들이 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 원자는 수 펨토 초에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준만 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어려웠다.

연구진은 이전에 분자결합이 끊어지는 순간(Science, 2005)과 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간(Nature, 2015) 분자의 구조를 원자 수준에서 관측한 바 있으며, 이번에 세계 최초로 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정의 원자의 움직임을 관찰하는데 성공했다.

화학반응의 시작인 반응물과 끝인 생성물은 상대적으로 오랫동안 구조를 유지하지만, 반응과정의 전이상태(transition state)의 경우 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더 까다로웠다.

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.
* 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물(화학식 : [Au(CN)₂^-]₃)로, 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 반응하여 화학결합을 시작하는 특징이 있다.

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

연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.

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 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 포부를 밝혔다.

그림설명

▲ [그림 1] 펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 엑스선 회절 이미지를 얻고 분석함으로써 분자의 삼차원 구조를 알아낸다.

▲ [그림 2] 펨토초 엑스선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘펨토초 엑스선 회절법 실험을 적용하여 금 삼합체의 들뜬 상태에서의 파동 다발의 시간에 따른 위치를 다차원 핵좌표계 상에서 얻어내었다. 이를 통해 금 삼합체 내의 화학결합 생성 반응이 ‘비동기화된 화학결합 생성 메커니즘(asynchronous bond formation mechanism)'을 통해 일어나는 것을 밝혀냈다.

▲ [그림 3] 분자가 탄생하는 모든 순간 포착공동연구진은 2015년 연구에서(위) 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간 분자의 구조를 세계 최초로 관측한 데 이어 이번 연구(아래)에서는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정에서 원자의 움직임을 실시간 관찰했다. 사진 속 노란색은 금, 회색은 탄소, 파란색은 질소 원자를 나타낸다. (자료제공: 일본 고에너지가속기연구소(KEK))