대학신문방송국

원자가 결합하여 분자가 되는 온전한 과정을 국내 연구진이 세계 최초로 실시간으로 포착하는 것에 성공했다. 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장, 이효철 KAIST 화학과 교수는 지난 6월 25일 국제 학술지 ‘네이처’에 이와 같은 연구 성과를 발표했다.

이효철 교수는 ‘펨토초 엑스선 펄스’라는 특수 광원을 이용하여 금 원자 내에서 화학반응이 일어나는 순간을 최초로 관측했다고 밝혔다. 펨토초 엑스선 펄스는 파장이 10-0.01㎚로 짧아 원자 단위 관찰에 적합하고 펄스 형태의 X선이 펨토초(1000조분의 1초) 단위로 방출돼 시간분해능도 우수하다. 원자는 물질을 이루는 기본 단위로 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 그러나 원자 수는 수 펨토초에 옹스트롬(1억분의 1cm) 수준으로만 움직여 움직임을 실시간으로 관측하기엔 어려움이 있었다.

화학반응의 생성물을 상대적으로 오랜 시간 구조를 유지에 관측에 용이하지만, 반응과정의 전이 상태의 경우 찰나에만 형성되어 관측하기에 더욱더 까다로운 부분이 있었다.

연구진은 더 나아진 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 물속에 녹아있는 금 삼합체 분자에 레이저를 쏘아 화학반응을 일으켜 형성과정을 관찰했다. 화학반응이 진행 중인 금 원자들에 펨토초 엑스선을 쏘면, 엑스선 펄스가 원자에 부딪혀 산란하고 서로 간섭해 만들어지는 물결 모양의 엑스선 산란 영상을 얻을 수 있다. 이 영상을 분석하면 펨토초 단위로 원자 위치 등을 파악할 수 있다.

그 결과 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라 한 결합이 35 펨토초 만에 빠르게 만들어지고, 360 펨토초 뒤 나머지 결합이 순서대로 형성됨을 규명했다. 또한 화학결합이 형성된 후에 원자들이 동일한 자리에 그대로 머물러 있지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.

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

제1 저자인 김종구 선임연구원은 “장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과, 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 ‘펨토초 엑스선 회절법’을 완성할 수 있었다”고 소감을 밝혔다.

글 윤정빈 기자