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1000조 분의 35초, 분자가 탄생하는 모든 순간 관찰

원자의 위치와 움직임 실시간 관찰 … 효율 높인 신약‧촉매 개발 초석

자연의 변화는 원자의 배열이 바뀌며 화학결합을 통해 새로운 분자를 만드는 과정이다. 하지만 원자들이 언제, 어떻게 움직이며 분자를 구성하는지 관찰한 연구는 지금껏 없었다. (출처: PublicDomainPictures)
▲ 자연의 변화는 원자의 배열이 바뀌며 화학결합을 통해 새로운 분자를 만드는 과정이다. 하지만 원자들이 언제, 어떻게 움직이며 분자를 구성하는지 관찰한 연구는 지금껏 없었다. (출처: PublicDomainPictures)

사과가 썩고, 쇠가 녹슬고, 꽃이 피는 등 모든 변화는 원자의 배열이 바뀌며 새로운 분자가 생겨날 때 벌어진다. 하지만 원자는 매우 미세하지만 빠르게 움직이기 때문에 지금껏 이 변화의 과정을 파악하기 어려웠다. 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단은 국제 공동연구를 통해 원자가 결합하여 분자를 이루는 전 과정을 실시간으로 포착했다.

물질을 이루는 기본 단위인 원자는 화학결합을 통해 분자를 만든다. 하지만 원자는 수 펨토 초(1000조 분의 1초)라는 찰나의 순간에 수 옹스트롬(1억 분의 1cm) 수준으로 미세하게 움직이기 때문에 그 변화를 관측하기 어려웠다. 지금까지 고작 3개의 원자로 이뤄진 분자에 대해서도 화학결합을 형성하는 원자들의 실제 움직임을 직접적으로 관찰한 적이 없었다.

연구진은 포항에 위치한 4세대방사광가속기와 일본 고에너지가속기연구소(KEK)의 방사광가속기(SACLA)를 이용해 화학결합을 하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 1000조 분의 1초 단위로 관찰했다. 이를 통해 세 개의 금 원자로 이뤄진 금 삼합체 분자의 형성과정을 관찰했다. 금 삼합체는 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛을 가하면 반응하여 화학결합을 시작하는 특징이 있다.

실험 과정의 모식도. 수용액상의 금 삼합체에 레이저 펄스를 가하면 화학결합이 시작된다. 이때 엑스선 자유전자레이저를 통해 얻어진 엑스선 산란 이미지를 분석하면 분자의 실시간 위치와 운동을 파악할 수 있다.
▲ 실험 과정의 모식도. 수용액상의 금 삼합체에 레이저 펄스를 가하면 화학결합이 시작된다. 이때 엑스선 자유전자레이저를 통해 얻어진 엑스선 산란 이미지를 분석하면 분자의 실시간 위치와 운동을 파악할 수 있다.

연구진은 2005년 분자 결합이 끊어지는 순간을 관측해 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 발표한 바 있으며, 2015년에는 분자가 탄생하는 순간을 관측해 ‘네이처(Nature)’에 논문을 실었다. 이번 연구에서는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정을 동영상을 찍듯 관찰해냈다. 화학반응의 시작인 반응물과 끝인 생성물은 상대적으로 오랫동안 구조를 유지하지만, 반응과정의 전이상태(transition state)는 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더 까다로웠다. 연구진은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법을 통해 이 문제를 해결했다.

앞으로 연구진은 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해나갈 계획이다. 김종구 선임연구원은 “더 복잡한 분자의 탄생 과정을 살펴볼 수 있다면 신약 개발, 효율이 좋은 촉매 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 설명했다.

공동연구진은 2015년 연구(위)에서 화학결합을 통해 분자가 탄생한 순간 분자의 구조를 세계 최초로 관측했다. 이번 연구(아래)에서는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정에서 원자의 움직임을 실시간 관찰했다. (일본 고에너지가속기연구소(KEK) 제공)
▲ 공동연구진은 2015년 연구(위)에서 화학결합을 통해 분자가 탄생한 순간 분자의 구조를 세계 최초로 관측했다. 이번 연구(아래)에서는 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정에서 원자의 움직임을 실시간 관찰했다. (일본 고에너지가속기연구소(KEK) 제공)

연구결과는 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 6월 25일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬

  • [프라임경제] "1000조 분의 1초 관측" 원자 실시간 위치 파악한다
  • [YTN] 화학 반응 전 과정 원자 단위에서 관찰 성공
  • [뉴스웍스] 분자가 탄생하는 모든 순간 포착했다
  • [충청뉴스] 기초과학연, 분자 탄생 순간 포착
  • [머니투데이] 분자가 탄생하는 ‘35펨토초’ 찰나의 순간 포착
  • [뉴스1] IBS, 분자가 탄생하는 모든 순간 포착
  • [뉴시스] IBS, 분자가 탄생하는 모든 순간 포착 성공
  • [아이뉴스24] 분자가 탄생하는 모든 순간 포착…펨토초 수준 관찰 성공
  • [노컷뉴스] 국내 연구진, 분자가 탄생하는 모든 순간 포착
  • [이웃집과학자] 분자가 탄생하는 모든 순간 포착
  • [더리포트] 1000조 분의 35초, 분자의 탄생 순간 관찰 가능
  • [뉴스워커] [산업기획] 방사광 가속기 '기초과학뿐 아닌 첨단산업에도 큰 영향 준다'
  • [이투데이] 기초과학연구원, 분자탄생 원자움직임 '1000조분의 1초단위' 관측 성공
  • [조선일보] 1000조분의 1초...원자가 분자되는 전과정 세계 최초 포착
  • [KBS] 분자 탄생 찰나의 순간…1천조분의 1초 미지의 영역 포착
  • [녹색경제신문] [과학을 품다] 원자 결합→분자탄생, 실시간으로 관찰했다
  • [한겨레] 원자가 분자로 탄생하는 찰나의 순간 관측
  • [서울경제] '분자 생성 과정' 1,000조분의 1초 단위로 관찰 성공
  • [파이낸셜뉴스] 원자 결합 찰나의 순간을 세계 최초로 관찰 성공
  • [이데일리] '35펨토초' 찰나의 순간도 포착...분자 탄생 과정 봤다
  • [동아사이언스] '1조분의 1초'만에 원자가 분자로 바뀌는 전 과정 세계 최초 포착
  • [연합뉴스] 분자탄생과정 원자움직임 1천조분의 1초단위로 실시간 관찰했다
  • [조선비즈] IBS, 분자 탄생하는 ‘1000조분의 35초’ 순간 세계 첫 포착
  • [대전MBC] IBS, 원자가 분자로 결합하는 모든 과정 최초 포착
  • [이엠디] 분자가 탄생하는 모든 순간(35펨토 초) 포착
  • [산업종합저널] 분자 탄생 모든 순간(35펨토 초) 포착 성공
  • [케미컬뉴스] 기초과학연구원, 원자가 결합해 분자가 탄생하는 모든 과정 포착 성공
  • [더뉴스코리아] 기초과학연구원(IBS), 분자가 탄생하는 모든 순간(35펨토 초) 포착
  • [에코타임스] 분자 탄생 ‘찰나의 순간’ 포착했다
  • [헤럴드경제] 세계 최초 화학반응 과정 원자 움직임 관찰 성공
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    최종수정일 2019-12-17 14:32